圖1：使用三相電壓源逆變器的三相無傳感器PMSM控制系統(tǒng)

 

采用基于帶有無傳感器磁場定向控制（FOC）的永磁同步電動機(jī)（PMSM）的高級電動機(jī)控制系統(tǒng)，有兩個主要的驅(qū)動因素：提高能源效率和加強(qiáng)產(chǎn)品差異化。雖然具有無傳感器FOC的PMSM已被證明可以實(shí)現(xiàn)這兩個目標(biāo)，但需要一種提供整體解決方法的生態(tài)系統(tǒng)。

 

為什么選擇PMSM？

 

PMSM電動機(jī)是使用電子換向的無刷電動機(jī)。它經(jīng)常與無刷直流電動機(jī)（BLDC）混淆，后者是無刷電動機(jī)家族的另一成員，它也使用電子換向，但結(jié)構(gòu)略有不同。PMSM的結(jié)構(gòu)針對FOC進(jìn)行了優(yōu)化，而BLDC電機(jī)經(jīng)過優(yōu)化以使用6步切換技術(shù)。優(yōu)化導(dǎo)致PMSM具有正弦反向電動勢（Back-EMF），而BLDC電機(jī)具有梯形反向電動勢。

 

這些電動機(jī)中的轉(zhuǎn)子傳感器也不同。PMSM通常使用位置編碼器，而BLDC電機(jī)使用三個霍爾傳感器進(jìn)行操作。如果需要考慮成本，設(shè)計(jì)人員可以考慮采用無傳感器技術(shù)，從而消除了磁體、傳感器、連接器和布線的成本。由于減少了系統(tǒng)中可能發(fā)生故障的組件，因此消除傳感器還提高了可靠性。當(dāng)將無傳感器PMSM與無傳感器BLDC進(jìn)行比較時，使用FOC算法的無傳感器PMSM可以提供更好的性能，同時使用類似的硬件設(shè)計(jì)，并且實(shí)現(xiàn)成本相當(dāng)。

 

切換到PMSM的最大受益者是那些當(dāng)前使用有刷直流（BDC）或交流感應(yīng)電動機(jī)（ACIM）。開關(guān)的主要優(yōu)點(diǎn)包括更低的功耗，更高的速度，更平穩(wěn)的轉(zhuǎn)矩，更低的噪聲，更長的使用壽命以及更小的尺寸，從而使該技術(shù)更具競爭力。但是，為了通過使用PMSM實(shí)現(xiàn)這些好處，開發(fā)人員需要實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的FOC控制技術(shù)以及其他特定于應(yīng)用的算法，以滿足系統(tǒng)需求。與BDC或ACIM相比，PMSM更為昂貴，但它提供了更多優(yōu)勢。

 

實(shí)施挑戰(zhàn)

 

但是，要實(shí)現(xiàn)使用PMSM的優(yōu)勢，需要了解實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的FOC電機(jī)控制技術(shù)所固有的硬件復(fù)雜性，以及所需的領(lǐng)域?qū)I(yè)知識。圖1顯示了使用三相電壓源逆變器的三相無傳感器PMSM控制系統(tǒng)。控制逆變器需要三對相互關(guān)聯(lián)的高分辨率PWM信號，以及大量需要信號調(diào)理的模擬反饋信號。該系統(tǒng)還需要具有容錯的硬件保護(hù)功能，該功能使用高速模擬比較器進(jìn)行設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。感測、控制和保護(hù)所需的這些額外的模擬組件會增加解決方案成本，典型的BDC電機(jī)設(shè)計(jì)或ACIM的控制不需要這些。

 

定義和驗(yàn)證PMSM電機(jī)控制應(yīng)用的組件規(guī)格還需要額外的開發(fā)時間。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)人員可以選擇微控制器，可以提供高度的模擬集成，并具有針對PMSM電機(jī)控制量身定制的設(shè)備規(guī)格。這將減少所需的外部組件數(shù)量，并優(yōu)化物料清單（BOM）。高度集成的電機(jī)控制設(shè)備現(xiàn)已提供高分辨率PWM，以方便實(shí)施高級控制算法，用于精密測量和信號調(diào)節(jié)的高速模擬外設(shè)，功能安全所需的硬件外設(shè)以及用于通信和調(diào)試的串行接口。

 

同樣具有挑戰(zhàn)性的是電動機(jī)控制軟件與電動機(jī)機(jī)電行為之間的相互作用。圖2顯示了標(biāo)準(zhǔn)的無傳感器FOC框圖。要將其從一個概念應(yīng)用于實(shí)際設(shè)計(jì)，需要了解控制器架構(gòu)和數(shù)字信號處理器（DSP）指令，以實(shí)現(xiàn)對數(shù)學(xué)要求嚴(yán)格的時間緊迫的控制回路。

 

圖2：標(biāo)準(zhǔn)無傳感器FOC的框圖

 

為了獲得可靠的性能，控制回路必須在一個PWM周期內(nèi)執(zhí)行。需要對控制回路進(jìn)行時間優(yōu)化的三個原因。

 

1）約束：使用等于或大于20KHz（50uS時間段）的PWM開關(guān)頻率來抑制逆變器開關(guān)產(chǎn)生的噪聲。

 

2）為了獲得更高帶寬的控制系統(tǒng)，控制回路必須在一個PWM 周期內(nèi)執(zhí)行。

 

3）為了支持其他后臺任務(wù)，例如系統(tǒng)監(jiān)視，特定于應(yīng)用程序的功能和通信，控制回路需要運(yùn)行得更快。FOC算法的目標(biāo)應(yīng)是在少于10uS的時間內(nèi)執(zhí)行。

 

許多制造商都提供了FOC展示軟件，該軟件帶有用于轉(zhuǎn)子位置的無傳感器估算器。但是，在FOC算法甚至無法開始旋轉(zhuǎn)電動機(jī)之前，必須配置各種參數(shù)以使其與電動機(jī)和硬件相匹配。為了滿足所需的速度和效率目標(biāo)，必須進(jìn)一步優(yōu)化控制參數(shù)和系數(shù)。這可以通過以下組合實(shí)現(xiàn)：1）使用電機(jī)數(shù)據(jù)表推導(dǎo)參數(shù)，2）通過試錯法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。當(dāng)電動機(jī)參數(shù)可能無法始終準(zhǔn)確地表征電動機(jī)參數(shù)時，或者當(dāng)設(shè)計(jì)人員無法使用高精度測量設(shè)備時，開發(fā)人員將不得不采用試錯法。手動調(diào)整的過程需要時間和經(jīng)驗(yàn)。

 

PMSM電動機(jī)用于許多不同的應(yīng)用，可在不同的環(huán)境中運(yùn)行或具有不同的設(shè)計(jì)限制。例如，在汽車散熱器風(fēng)扇中，當(dāng)發(fā)動機(jī)將要啟動時，由于風(fēng)的作用，風(fēng)扇葉片可沿反方向自由旋轉(zhuǎn)。在這種情況下，使用無傳感器算法啟動PMSM電機(jī)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，可能會損壞逆變器。一種解決方案是檢測旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)子位置，并使用此信息通過主動制動，在啟動電動機(jī)之前使電動機(jī)減速至停止?fàn)顟B(tài)。同樣，可能有必要實(shí)施其他算法，例如每安培最大轉(zhuǎn)矩（MTPA），轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償和弱磁等。這些類型特定于應(yīng)用程序的附加算法對于開發(fā)實(shí)用的解決方案是必不可少的，但它們也會因?yàn)樵黾娱_發(fā)時間和軟件驗(yàn)證復(fù)雜化而增加設(shè)計(jì)復(fù)雜性。

 

降低復(fù)雜度的一種解決方案是讓設(shè)計(jì)人員創(chuàng)建一種模塊化軟件體系結(jié)構(gòu)，該體系結(jié)構(gòu)使特定于應(yīng)用程序的算法可以添加到FOC算法中，而不會影響時間緊迫的執(zhí)行。圖3顯示了典型的實(shí)時電機(jī)控制應(yīng)用程序的軟件架構(gòu)。該框架的核心是FOC功能，它具有嚴(yán)格的時序約束和許多特定于應(yīng)用的附加功能，框架中的狀態(tài)機(jī)負(fù)責(zé)控制功能與主應(yīng)用程序接口。該體系結(jié)構(gòu)需要在軟件功能塊之間有一個定義明確的接口，以使其模塊化并簡化代碼維護(hù)。模塊化框架支持將不同的特定于應(yīng)用程序的算法與其他系統(tǒng)監(jiān)視，保護(hù)和功能安全案例進(jìn)行集成。

 

圖3：FOC的應(yīng)用框架

 

模塊化體系結(jié)構(gòu)的另一個好處是將外圍接口層（或硬件抽象層）與電機(jī)控制軟件分離，這使設(shè)計(jì)人員可以隨著應(yīng)用程序和性能要求的變化將IP無縫地從一個電機(jī)控制器遷移到另一個電機(jī)控制器。

 

完整生態(tài)系統(tǒng)的要求

 

為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，需要針對無傳感器FOC設(shè)計(jì)量身定制的電機(jī)控制生態(tài)系統(tǒng)。電機(jī)控制器，硬件，軟件和開發(fā)環(huán)境都應(yīng)一起工作，以簡化實(shí)現(xiàn)高級電機(jī)控制算法的過程。為此，生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能：

 

1.一種高級工具，可自動執(zhí)行電機(jī)參數(shù)測量，設(shè)計(jì)控制環(huán)并生成源代碼，使沒有專業(yè)知識的設(shè)計(jì)人員也可以實(shí)現(xiàn)FOC電機(jī)控制以及編寫和調(diào)試非常耗時的關(guān)鍵代碼。

 

2. FOC的應(yīng)用程序框架和不同的特定于應(yīng)用程序的附加算法減少了開發(fā)和測試時間。

 

3.具有確定性響應(yīng)的電機(jī)控制器和集成的模擬外設(shè)，可在單個芯片中進(jìn)行信號調(diào)理和系統(tǒng)保護(hù)，從而降低了解決方案的總成本。

 

圖4顯示了一個電機(jī)控制生態(tài)系統(tǒng)架構(gòu)的示例，其中包括應(yīng)用程序框架和用于高性能dsPIC33電機(jī)控制數(shù)字信號控制器（DSC）的開發(fā)套件。該開發(fā)套件基于GUI的FOC軟件開發(fā)工具構(gòu)建，該工具可以測量關(guān)鍵的電機(jī)參數(shù)并自動調(diào)整反饋控制增益。它還使用Motor Control應(yīng)用程序框架（MCAF）為在開發(fā)環(huán)境中創(chuàng)建的項(xiàng)目生成所需的源代碼。解決方案堆棧的核心是電機(jī)控制庫，它使實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的時間緊迫的控制回路功能以及與dsPIC33 DSC的電機(jī)控制外設(shè)進(jìn)行交互成為可能。這個GUI與多個可用的電機(jī)控制開發(fā)板配合使用，以支持電機(jī)參數(shù)提取以及適用于各種低壓和高壓電機(jī)的FOC代碼生成。

 

圖4：Microchip Technology電機(jī)控制生態(tài)系統(tǒng)架構(gòu)

 

對高能效和產(chǎn)品差異化的需求推動了向無刷電機(jī)的過渡。 全面的電機(jī)控制生態(tài)系統(tǒng)提供了一種整體方法來簡化帶有PMSM的無傳感器FOC的實(shí)現(xiàn)，并且應(yīng)包括專用的電機(jī)控制器，快速原型開發(fā)板和易于使用的FOC開發(fā)軟件，以實(shí)現(xiàn)代碼自動生成。