簡介

高性能伺服電機(jī)的特點(diǎn)是需要平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)到失速，完全控制失速時的扭矩以及快速的加速和減速。過去，變速驅(qū)動器主要采用直流電機(jī)，因?yàn)樗鼈兙哂谐錾目煽匦?。然而，現(xiàn)代高性能電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)通?；谌嘟涣麟妱訖C(jī)，例如交流感應(yīng)電動機(jī)（ACIM）或永磁同步電動機(jī)（PMSM）。這些機(jī)器已經(jīng)取代了直流電機(jī)作為苛刻的伺服電機(jī)應(yīng)用的首選機(jī)器，因?yàn)樗鼈兘Y(jié)構(gòu)簡單，慣性小，輸出功率重量比高，在高速旋轉(zhuǎn)時具有良好的性能。

現(xiàn)在已經(jīng)很好地建立了矢量控制原理來控制這些交流電機(jī);現(xiàn)在大多數(shù)現(xiàn)代高性能驅(qū)動器都采用數(shù)字閉環(huán)電流控制。在這樣的系統(tǒng)中，可實(shí)現(xiàn)的閉環(huán)帶寬與計(jì)算密集型矢量控制算法和相關(guān)矢量旋轉(zhuǎn)可以實(shí)時實(shí)現(xiàn)的速率直接相關(guān)。由于這種計(jì)算負(fù)擔(dān)，許多高性能驅(qū)動器現(xiàn)在使用數(shù)字信號處理器（DSP）來實(shí)現(xiàn)嵌入式電機(jī)和矢量控制方案。 DSP固有的計(jì)算能力可以實(shí)現(xiàn)非?？斓闹芷跁r間和閉環(huán)電流控制帶寬（在2到4 kHz之間）。

這些機(jī)器的完整電流控制方案也需要高 - 精密脈沖寬度調(diào)制（PWM）電壓生成方案和高分辨率模數(shù)（A / D）轉(zhuǎn)換（ADC），用于測量電機(jī)電流。為了保持平穩(wěn)控制扭矩到零速，轉(zhuǎn)子位置反饋對于現(xiàn)代矢量控制器至關(guān)重要。因此，許多系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)子位置傳感器，例如旋轉(zhuǎn)變壓器和增量編碼器。我們在此描述實(shí)現(xiàn)三相交流電機(jī)高性能控制器（如ADMC401）背后的基本原理 - 集成DSP控制器，強(qiáng)大的DSP內(nèi)核，靈活的PWM生成，高分辨率A / D轉(zhuǎn)換，和嵌入式編碼器接口。

交流電機(jī)的變速控制

三相交流電機(jī)的高效變速控制需要生成具有可變頻率的平衡三相可變電壓組?？勺冾l率電源通常通過使用功率半導(dǎo)體器件（通常為MOSFET或IGBT）作為固態(tài)開關(guān)從直流轉(zhuǎn)換產(chǎn)生。常用的轉(zhuǎn)換器配置如圖1（a）所示。它是一個兩級電路，其中固定頻率的50或60 Hz交流電源首先被整流，以提供存儲在直流鏈路電容器中的直流鏈路電壓Vd。然后將該電壓提供給逆變器電路，該逆變器電路為電動機(jī)產(chǎn)生可變頻率的交流電。逆變器電路中的電源開關(guān)允許電機(jī)端子連接到Vd或地。這種操作模式提供了高效率，因?yàn)槔硐肭闆r下，開關(guān)在打開和關(guān)閉位置都沒有損耗。

通過快速順序打開和關(guān)閉六個開關(guān)（圖1a），三相可以在輸出端子處合成具有平均正弦波形的交流電壓。實(shí)際輸出電壓波形是脈沖寬度調(diào)制（PWM）高頻波形，如圖1b所示。在使用固態(tài)開關(guān)的實(shí)際逆變器電路中，可以實(shí)現(xiàn)大約20kHz的高速開關(guān)，并且可以在非常高的頻率下產(chǎn)生復(fù)雜的PWM波形，其中所有電壓諧波分量都是如此。遠(yuǎn)高于所需的基頻 - 名義上在0到250 Hz的范圍內(nèi)。

電機(jī)的感抗隨頻率的增加而增加，因此高次諧波電流非常小，并且接近正弦電流在定子繞組中流動。如圖1b所示，通過使用適當(dāng)?shù)目刂破鞲淖働WM波形來調(diào)節(jié)逆變器的基波電壓和輸出頻率。在控制基波輸出電壓時，PWM過程不可避免地會修改輸出電壓波形的諧波含量。正確選擇調(diào)制策略可以最大限度地降低諧波電壓及其相關(guān)的諧波效應(yīng)和電機(jī)中的高頻損耗。

a。用于驅(qū)動三相交流電機(jī)的電源轉(zhuǎn)換器的典型配置。

b。為電機(jī)生成可變電壓，變頻電源的典型PWM波形。

脈沖寬度調(diào)制（PWM）生成

在典型的交流電機(jī)控制器設(shè)計(jì)中，兩者都是在產(chǎn)生PWM信號的過程中涉及硬件和軟件考慮，最終用于打開或關(guān)閉三相逆變器中的功率器件。在典型的數(shù)字控制環(huán)境中，控制器以PWM開關(guān)頻率（標(biāo)稱值為10至20 kHz）產(chǎn)生定時定時中斷。在中斷服務(wù)程序中，控制器軟件計(jì)算用于驅(qū)動逆變器三個支路中每個支路的PWM信號的新占空比值。計(jì)算的占空比取決于電機(jī)的測量的狀態(tài)（扭矩和速度）和期望的運(yùn)行狀態(tài)。占空比逐周期調(diào)整，以使電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)符合所需的軌跡。

一旦處理器計(jì)算出所需的占空比值，就需要一個專用的硬件PWM發(fā)生器來確保在下一個PWM和控制器周期產(chǎn)生PWM信號。 PWM生成單元通常由適當(dāng)數(shù)量的定時器和比較器組成，這些定時器和比較器能夠產(chǎn)生非常精確的定時信號。通常，期望產(chǎn)生PWM定時波形的10至12位性能。 ADMC401的PWM生成單元的邊緣分辨率為38.5 ns，對應(yīng)于開關(guān)頻率為10 kHz時的大約11.3位分辨率。 ADMC401的專用PWM生成單元產(chǎn)生的典型PWM信號如圖2所示，用于逆變器支路A.圖中，AH是用于驅(qū)動逆變器支路A的高端功率器件的信號，AL用于驅(qū)動低端電源設(shè)備。占空比有效地調(diào)整施加到電機(jī)的平均電壓，以實(shí)現(xiàn)所需的控制目標(biāo)。

通常，關(guān)閉一個電源設(shè)備之間需要一個小的延遲（說AL）并打開互補(bǔ)電源設(shè)備（AH）。需要此死區(qū)時間以確保關(guān)閉設(shè)備有足夠的時間在其他設(shè)備打開之前重新獲得其阻塞功能。否則可能導(dǎo)致直流電壓短路。 ADMC401的PWM生成單元包含用于自動死區(qū)時間插入PWM信號的必要硬件。

三相交流電機(jī)控制器的一般結(jié)構(gòu)

對任何電動機(jī)驅(qū)動過程的精確控制最終可以減少到精確控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩和速度的問題。通常，通過使用適當(dāng)?shù)膿Q能器測量電動機(jī)的速度或位置來直接控制電動機(jī)速度，并且通過適當(dāng)控制電動機(jī)相電流間接控制轉(zhuǎn)矩。圖3顯示了用于三相電機(jī)的典型同步框架電流控制器的框圖。該圖還顯示了軟件代碼模塊與電機(jī)控制器（如ADMC401）的專用電機(jī)控制外設(shè)之間的任務(wù)比例。控制器由兩個比例加積分加差分（PID）電流調(diào)節(jié)器組成，用于控制參考系中的電機(jī)電流矢量，該參考系與測量的轉(zhuǎn)子位置同步旋轉(zhuǎn)。

有時可能需要在電壓和速度之間實(shí)現(xiàn)去耦，從而消除速度依賴性和相關(guān)軸與控制回路的交叉耦合。然后使用合適的脈沖寬度調(diào)制策略（例如空間矢量調(diào)制（SVM））在逆變器上合成參考電壓分量。還可以采用一些補(bǔ)償方案來克服逆變器開關(guān)死區(qū)時間，有限逆變器設(shè)備導(dǎo)通電壓和直流鏈路電壓紋波的失真影響。

這兩個組成部分定子電流矢量稱為直軸和正交軸組件。直軸電流控制電機(jī)磁通，通常用永磁電機(jī)控制為零。然后可以通過調(diào)節(jié)正交軸分量直接控制電動機(jī)轉(zhuǎn)矩?？焖?，精確的轉(zhuǎn)矩控制對于高性能驅(qū)動至關(guān)重要，以確保在所有負(fù)載條件下快速加速和減速以及平滑旋轉(zhuǎn)至零速度。

通過以下方式獲得實(shí)際的直流和正交電流分量首先使用片上ADC系統(tǒng)，使用合適的電流感應(yīng)傳感器測量電機(jī)相電流并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字電流。通常只需同時采樣兩個電機(jī)線路電流就足夠了：由于三個電流之和為零，必要時可以從其他兩個電流的同時測量推斷出第三個電流。

控制器軟件利用數(shù)學(xué)矢量變換（稱為駐車變換），確保在所有運(yùn)行條件下，應(yīng)用于電機(jī)的三相電流組與電機(jī)軸的實(shí)際旋轉(zhuǎn)同步。這種同步確保電動機(jī)始終產(chǎn)生每安培的最佳扭矩，即以最佳效率運(yùn)行。矢量旋轉(zhuǎn)需要實(shí)時計(jì)算測量的轉(zhuǎn)子角度的正弦和余弦，以及多次乘法和累加運(yùn)算?？偟目刂骗h(huán)路帶寬取決于閉環(huán)控制計(jì)算的實(shí)施速度以及新的占空比值的計(jì)算結(jié)果。 26-MIPS，16位定點(diǎn)DSP內(nèi)核固有的快速計(jì)算能力使其成為這些嵌入式電機(jī)控制應(yīng)用的理想計(jì)算引擎。

模數(shù)轉(zhuǎn)換要求

< p>為了控制高性能交流伺服驅(qū)動器，需要對測量電流值進(jìn)行快速，高精度，同步采樣的A / D轉(zhuǎn)換。伺服驅(qū)動器具有額定運(yùn)行范圍 - 它們可以連續(xù)維持的特定功率水平，電機(jī)和功率轉(zhuǎn)換器的溫升可以接受。伺服驅(qū)動器還具有峰值額定值 - 能夠在短時間內(nèi)處理遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過額定電流的電流。例如，可以在短時間內(nèi)施加高達(dá)額定電流的六倍。這允許瞬時施加大扭矩，非?？焖俚丶铀倩驕p速驅(qū)動器，然后恢復(fù)到正常操作的連續(xù)范圍。這也意味著在驅(qū)動器的正常操作模式下，僅使用總輸入范圍的一小部分。

在秤的另一端，為了實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)和精確的旋轉(zhuǎn)在這些機(jī)器中需要，補(bǔ)償小的偏移和非線性是明智的。在任何電流傳感器電子設(shè)備中，模擬信號處理通常受到增益和偏移誤差的影響。例如，在用于不同繞組的電流測量系統(tǒng)之間可能存在增益不匹配。這些效果結(jié)合在一起產(chǎn)生不希望的扭矩振蕩。為了滿足這兩種相互矛盾的分辨率要求，現(xiàn)代伺服驅(qū)動器使用12至14位A / D轉(zhuǎn)換器，具體取決于應(yīng)用所需的成本/性能折衷。

系統(tǒng)的帶寬基本上受輸入信息然后執(zhí)行計(jì)算所需的時間量的限制。轉(zhuǎn)換需要很多微秒的A / D轉(zhuǎn)換器會在系統(tǒng)中產(chǎn)生無法容忍的延遲。閉環(huán)系統(tǒng)的延遲會降低系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的帶寬，帶寬是這些高性能驅(qū)動器中最重要的品質(zhì)因數(shù)之一。因此，快速模數(shù)轉(zhuǎn)換是這些應(yīng)用的必要條件。

這些應(yīng)用中使用的A / D轉(zhuǎn)換器的第三個重要特性是 timing 。除了高分辨率和快速轉(zhuǎn)換之外，還需要同步采樣。在任何三相電機(jī)中，必須在完全相同的時間測量電機(jī)三個繞組中的電流，以便獲得機(jī)器中扭矩的瞬時“快照”。任何時間偏斜（不同電流的測量之間的時間延遲）是通過測量手段人為插入的誤差因子。這種非理想性直接轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩波動 - 這是一種非常不理想的特性。

集成在ADMC401中的ADC系統(tǒng)提供快速（6 MSPS），高分辨率（12- bit）ADC內(nèi)核集成了雙采樣和保持放大器，可以同時采樣兩個輸入信號。 （如前所述，這允許計(jì)算第三電流的同時值。）ADC內(nèi)核是高速流水線閃存架構(gòu)?？梢赞D(zhuǎn)換總共8個模擬輸入通道，接受附加的系統(tǒng)或反饋信號以用作控制算法的一部分。這種集成性能水平代表了用于高性能應(yīng)用的嵌入式DSP電機(jī)控制器的最新技術(shù)。

位置感應(yīng)＆amp;編碼器接口單元

通常，電機(jī)位置通過使用安裝在轉(zhuǎn)子軸上的編碼器來測量。增量編碼器產(chǎn)生一對正交輸出（A＆amp; B），每個輸出在電機(jī)軸的每轉(zhuǎn)中具有大量脈沖。對于具有1024行的典型編碼器，兩個信號每轉(zhuǎn)產(chǎn)生1024個脈沖。使用專用的正交計(jì)數(shù)器，可以對A和B信號的上升沿和下降沿進(jìn)行計(jì)數(shù)，這樣轉(zhuǎn)子軸的一次旋轉(zhuǎn)可以分成4096個不同的值。換句話說，1024線編碼器允許將轉(zhuǎn)子位置測量為12位分辨率。旋轉(zhuǎn)方向也可以從正交信號A和B的相對相位推斷出來。

通常在電機(jī)控制器上有一個專用的編碼器接口單元（EIU）;它管理雙正交編碼器輸出信號的轉(zhuǎn)換，以產(chǎn)生并行數(shù)字字，始終代表實(shí)際的轉(zhuǎn)子位置。通過這種方式，DSP控制軟件可以在算法需要時簡單地讀取實(shí)際的轉(zhuǎn)子位置。

這一切都很好，但是成本敏感的伺服電機(jī)驅(qū)動器種類越來越多具有較低性能要求的應(yīng)用既不能承受轉(zhuǎn)子位置傳感器的成本也不能滿足空間要求。在這些情況下，可以使用估計(jì)的而不是測量的轉(zhuǎn)子位置來實(shí)現(xiàn)相同的電機(jī)控制算法。

DSP內(nèi)核能夠使用復(fù)雜的轉(zhuǎn)子位置估算算法計(jì)算轉(zhuǎn)子位置，例如擴(kuò)展卡爾曼估算器，可通過測量電機(jī)電壓和電流來提取轉(zhuǎn)子位置的估計(jì)值。這些估算器依賴于DSP中足夠精確的電機(jī)模型的實(shí)時計(jì)算。通常，這些無傳感器算法可以與中等到高速旋轉(zhuǎn)的基于傳感器的算法一樣工作。但隨著電機(jī)速度的降低，從電壓和電流測量中提取可靠的速度相關(guān)信息變得更加困難。通常，無傳感器電機(jī)控制主要適用于壓縮機(jī)，風(fēng)扇和泵等應(yīng)用，不需要在零或低速下連續(xù)運(yùn)行。

結(jié)論

現(xiàn)代DSP三相交流電機(jī)的控制在市場上繼續(xù)蓬勃發(fā)展，無論是在成熟的工業(yè)自動化市場還是在家用電器，辦公自動化和汽車市場的新興市場。對這些機(jī)器進(jìn)行有效且經(jīng)濟(jì)的控制需要在硬件和軟件之間進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠胶?，以便時間關(guān)鍵的任務(wù)（例如PWM信號的生成或轉(zhuǎn)子位置傳感器的實(shí)時接口）由專用硬件單元管理。另一方面，使用DSP內(nèi)核的快速計(jì)算能力，最好在軟件中處理電機(jī)的整體控制算法和新電壓指令的計(jì)算。與舊硬件解決方案相比，在軟件中實(shí)施控制解決方案具有易于升級，可重復(fù)性和可維護(hù)性的所有優(yōu)勢。所有電機(jī)控制解決方案還需要集成合適的A / D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，以便快速準(zhǔn)確地測量電機(jī)的反饋信息。 ADC系統(tǒng)的分辨率，轉(zhuǎn)換速度和輸入采樣結(jié)構(gòu)需要嚴(yán)格針對特定應(yīng)用的要求。