Microchip高級營銷工程師-II

Nelson Alexander

基于采用無傳感器磁場定向控制（FOC）的永磁同步電機（PMSM）的高級電機控制系統(tǒng)快速普及，這種現(xiàn)象的背后有兩個主要驅(qū)動因素：提高能效和加強產(chǎn)品的差異化。雖然有證據(jù)表明采用無傳感器FOC的PMSM可以實現(xiàn)這兩個目標，但需要一個可提供整體實現(xiàn)方法的設計生態(tài)系統(tǒng)才能取得成功。利用整體的生態(tài)系統(tǒng)，設計人員能夠克服實現(xiàn)過程中阻礙系統(tǒng)采用的各種挑戰(zhàn)。

為什么選擇PMSM？

PMSM電機是一種使用電子換向的無刷電機。它經(jīng)常與無刷直流電機（BLDC）混淆，后者是無刷電機系列的另一個成員，也使用電子換向，但在結構上略有不同。PMSM的結構可針對FOC進行優(yōu)化，而BLDC電機經(jīng)過優(yōu)化后可使用6步換向技術。經(jīng)過優(yōu)化后，PMSM可獲得正弦波反電動勢（Back-EMF），而BLDC電機則獲得梯形波反電動勢。

這些電機各自使用的轉子位置傳感器也不同。PMSM通常使用一個位置編碼器進行操作，而BLDC電機則使用三個霍爾傳感器進行操作。如果考慮到成本，設計人員可以考慮實施無傳感器技術，以省去磁體、傳感器、連接器和接線的成本。去除傳感器還有助于提高可靠性，因為這會減少系統(tǒng)中可能發(fā)生故障的元件數(shù)量。當比較無傳感器PMSM和無傳感器BLDC時，使用FOC算法的無傳感器PMSM可提供更出色的性能，而使用類似硬件設計的實現(xiàn)成本相當。

轉用PMSM的最大受益者是那些目前正在使用有刷直流（BDC）或交流感應電機（ACIM）的應用。切換的主要好處包括具有更低的功耗、更高的速度、更平穩(wěn)的轉矩、更低的可聞噪音、更長的使用壽命和更小巧的尺寸，從而使應用更具競爭力。但是，要想實現(xiàn)使用PMSM的這些好處，開發(fā)人員需要實現(xiàn)更復雜的FOC控制技術以及其他應用特定算法，才能滿足系統(tǒng)需求。雖然PMSM比BDC或ACIM的成本更加昂貴，但它具有更多優(yōu)勢。

實現(xiàn)中的挑戰(zhàn)

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)

但是，要實現(xiàn)使用PMSM的優(yōu)勢，需要了解實現(xiàn)高級FOC電機控制技術時固有的硬件復雜性，同時還需要掌握這一領域的專業(yè)知識。圖1給出了使用三相電壓源逆變器的三相無傳感器PMSM控制系統(tǒng)?？刂颇孀兤餍枰龑ο嗷リP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。此系統(tǒng)還需要硬件保護功能來實現(xiàn)容錯，同時利用高速模擬比較器實現(xiàn)了快速響應。實現(xiàn)傳感、控制和保護所需的這些額外模擬元件增加了解決方案的成本，而典型的BDC電機設計或簡單的ACIM每赫茲電壓（V/F）控制并不需要這些元件。

此外，還有為PMSM電機控制應用定義元件規(guī)格和進行驗證所需的開發(fā)時間。 要應對這些挑戰(zhàn)，設計人員可以選擇一款合適的單片機，以實現(xiàn)與專為PMSM電機控制量身定制的器件規(guī)格的高度模擬集成。這將會減少所需的外部元件數(shù)量并優(yōu)化物料清單（BOM）。高度集成的電機控制器件現(xiàn)已具有高分辨率PWM，可簡化高級控制算法、用于精密測量和信號調(diào)理的高速模擬外設、功能安全所需的硬件外設，以及用于通信和調(diào)試的串行接口的實現(xiàn)。

圖2：標準無傳感器FOC的框圖

此外，還有一個較大的挑戰(zhàn)，即電機控制軟件與電機的電機械行為之間的交互。圖2給出了標準的無傳感器FOC框圖。要將其從概念轉變?yōu)閷嶋H的設計，需要了解控制器架構和數(shù)字信號處理器（DSP）指令，以實現(xiàn)數(shù)學計算密集的時間關鍵控制環(huán)。

為實現(xiàn)可靠的性能，控制環(huán)必須在一個PWM周期內(nèi)執(zhí)行。必須對控制環(huán)的時間進行優(yōu)化，具體包括以下三個原因：

1） 限制：使用不低于20 kHz的PWM開關頻率（時長為50 μs），以抑制來自逆變器開關的噪聲。

2） 為實現(xiàn)帶寬更高的控制系統(tǒng)，控制環(huán)必須在一個PWM周期內(nèi)執(zhí)行。

3） 為支持其他后臺任務（如系統(tǒng)監(jiān)視、應用特定功能和通信），控制環(huán)需要以更快的速度運行。因此，F(xiàn)OC算法的目標應該是在10 μs以內(nèi)執(zhí)行。

許多制造商提供了利用無傳感器估算器來估算轉子位置的FOC軟件示例。但是，在使電機開始轉動之前，F(xiàn)OC算法必須配置各種參數(shù)以匹配電機和硬件。必須對控制參數(shù)和系數(shù)進行進一步優(yōu)化，以滿足所需的速度和效率目標?？梢酝ㄟ^結合以下方法實現(xiàn)這一目標：1） 使用電機數(shù)據(jù)手冊獲得參數(shù)；2） 反復進行試驗。電機數(shù)據(jù)手冊并不能始終對電機參數(shù)進行準確的表征，或者設計人員無法獲得高精度測量設備，在這種情況下，開發(fā)人員將不得不借助反復試驗的方法。這種手動調(diào)整的過程需要時間和經(jīng)驗。

PMSM電機用于許多不同的應用，運行在不同的環(huán)境中，或者存在不同的設計限制。例如，在汽車散熱器風扇中，當電機即將啟動時，由于風的作用，風扇葉片有可能向相反的方向自由旋轉。在這種情況下，啟動采用無傳感器算法的PMSM電機是一個挑戰(zhàn)，而且有可能損壞逆變器。一種解決方案是檢測旋轉方向和轉子位置，并利用這些信息在啟動電機前通過主動制動將電機減速至靜止狀態(tài)。同樣，還可能有必要實施附加算法，如每安培最大轉矩（MTPA）、轉矩補償和磁場弱化［1］等。這些類型的應用特定附加算法對于開發(fā)實用解決方案必不可少，但它們也會延長開發(fā)時間并使軟件驗證復雜化，進而增加設計復雜程度。

圖3：FOC的應用框架

降低復雜程度的一種解決方案是，設計人員創(chuàng)建一個模塊化軟件架構，這種架構可將應用特定算法添加到FOC算法中，同時不影響時間關鍵型執(zhí)行。圖3給出了典型的實時電機控制應用程序的軟件架構。此框架的核心是FOC函數(shù)，該函數(shù)提供了硬時序約束和許多應用特定的附加功能?？蚣軆?nèi)的狀態(tài)機將這些控制功能與主應用程序連接起來。這種架構需要在軟件函數(shù)塊之間有一個定義明確的接口，以使其實現(xiàn)模塊化并簡化代碼維護工作。模塊化框架支持不同應用特定算法與其他系統(tǒng)監(jiān)視、保護和功能安全程序的集成。

模塊化架構的另一個好處是將外設接口層（或硬件抽象層）從電機控制軟件中分離出來，這便于設計人員在應用功能和性能需求發(fā)生變化時，將其IP從一個電機控制器無縫遷移到另一個電機控制器。

完整生態(tài)系統(tǒng)的需求

應對這些挑戰(zhàn)需要一個為無傳感器FOC量身打造的電機控制生態(tài)系統(tǒng)。電機控制器、硬件、軟件和開發(fā)環(huán)境應協(xié)同工作，以簡化實現(xiàn)高級電機控制算法的過程。 為實現(xiàn)這一目標，此生態(tài)系統(tǒng)應具有以下特性：

1.一種用于自動執(zhí)行電機參數(shù)測量、設計控制環(huán)和生成源代碼的高級工具，可讓沒有領域?qū)I(yè)知識的設計人員能夠?qū)崿F(xiàn)FOC電機控制，并編寫和調(diào)試非常耗時的復雜時間關鍵型代碼

2.適用于FOC和不同應用特定附加算法的應用框架，用于縮短開發(fā)和測試時間

3.具有確定性響應的電機控制器以及可在單芯片中實現(xiàn)信號調(diào)理和系統(tǒng)保護的集成模擬外設，用于降低解決方案總成本

圖4：Microchip電機控制生態(tài)系統(tǒng)架構

圖4給出了一個電機控制生態(tài)系統(tǒng)架構的示例，其中包括應用框架和一個用于高性能dsPIC33電機控制數(shù)字信號控制器（DSC）的開發(fā)套件。此開發(fā)套件在基于GUI的FOC軟件開發(fā)工具的基礎上構建，可以測量關鍵的電機參數(shù)并自動調(diào)整反饋控制增益。此外，它還可為利用電機控制應用框架（MCAF）在開發(fā)環(huán)境中創(chuàng)建的項目生成所需的源代碼。解決方案協(xié)議棧的核心是電機控制庫，這種庫可以實現(xiàn)應用程序的時間關鍵型控制環(huán)功能，并與dsPIC33 DSC的電機控制外設交互。此GUI可與多個可用的電機控制開發(fā)板配合使用，支持電機參數(shù)提取并為各種低壓和高壓電機生成FOC代碼。

對高能效和產(chǎn)品差異化的需求推動了向無刷電機的轉變。全面的電機控制生態(tài)系統(tǒng)可提供一種整體方法來簡化基于PMSM的無傳感器FOC的實現(xiàn)，這種方法應包含專用的電機控制器、快速原型開發(fā)板和可自動生成代碼的易用FOC開發(fā)軟件。

參考資料

［1］ TB3220-利用角度跟蹤鎖相環(huán)估算器實現(xiàn)面向家用電器的永磁同步電機（表面貼裝和內(nèi)置）的無傳感器磁場定向控制：http://www.microchip.com.cn/newcommunity//Uploads/202003/5e65d169337d8.pdf

［2］ motorBench?開發(fā)套件：https://www.microchip.com/design-centers/motor-control-and-drive/motorbench-development-auto-tuning

［3］ 電機控制設計資源：https://www.microchip.com/design-centers/motor-control-and-drive

［4］ 電機控制庫：https://www.microchip.com/design-centers/motor-control-and-drive/motor-control-library