應(yīng)用于磁場(chǎng)定向控制電機(jī)設(shè)計(jì)的固件堆棧

永磁同步電機(jī)(PMSM)在要求苛刻的電機(jī)控制應(yīng)用中，在效率，響應(yīng)性和生命周期成本方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)的刷式電機(jī)不同，PMSM是電子換向電機(jī)(ECM)，需要高集成度微控制器，能夠執(zhí)行復(fù)雜的磁場(chǎng)定向控制(FOC)算法，并提供實(shí)現(xiàn)最大扭矩所需的精確電機(jī)控制信號(hào)。

通過(guò)利用合適的電機(jī)控制軟件庫(kù)，工程師可以使用包括飛思卡爾半導(dǎo)體，Microchip技術(shù)，恩智浦半導(dǎo)體，意法半導(dǎo)體和德州儀器等領(lǐng)先MCU供應(yīng)商的專(zhuān)用MCU版本，更輕松地利用FOC PMSM的優(yōu)勢(shì)。 》在PMSM中，在多個(gè)定子繞組中連續(xù)產(chǎn)生的磁場(chǎng)使永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。通過(guò)在每個(gè)定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子中的永磁體之間保持90°相位，電子換向控制邏輯可以在電動(dòng)機(jī)中實(shí)現(xiàn)最大扭矩。 FOC，也稱(chēng)為矢量控制，通過(guò)在低速下提供高扭矩并快速響應(yīng)動(dòng)態(tài)變化的負(fù)載(例如洗衣機(jī)中的負(fù)載)，提供了一種保持定子和轉(zhuǎn)子之間最佳相位關(guān)系的方法。

FOC方法

FOC通過(guò)正弦波連續(xù)換向PMSM，以提供高扭矩，扭矩波動(dòng)小。因此，F(xiàn)OC驅(qū)動(dòng)的PMSM運(yùn)行時(shí)機(jī)械振蕩減少，優(yōu)于梯形甚至正弦波驅(qū)動(dòng)的無(wú)刷直流(BLDC)電機(jī)，從而使設(shè)備更安靜。此外，由于使用永久磁鐵，F(xiàn)OC驅(qū)動(dòng)的PMSM非常高效，隨著能源成本持續(xù)攀升，它們?cè)絹?lái)越具有吸引力 - 根據(jù)美國(guó)能源部的數(shù)據(jù)，廚房和洗衣設(shè)備約占家庭用電量的三分之一消費(fèi)。同時(shí)，用于確定轉(zhuǎn)子位置的無(wú)傳感器方法的可用性進(jìn)一步降低了部件和生命周期成本。這為PMSM應(yīng)用在更苛刻的壓縮機(jī)和泵設(shè)計(jì)中打開(kāi)了大門(mén)，例如家用，商用和汽車(chē)應(yīng)用，其中傳感器不易使用。

FOC實(shí)施需要大量的處理需求，需要結(jié)合芯片特定的固件架構(gòu)。電機(jī)控制專(zhuān)用軟件庫(kù)，相應(yīng)的強(qiáng)大處理能力和適當(dāng)?shù)募赏庠O(shè)功能(見(jiàn)圖1)。通常，所需的片上外設(shè)功能包括多通道脈沖寬度調(diào)制信號(hào)輸出，具有死區(qū)時(shí)間以避免電機(jī)控制功率級(jí)中的直通電流，高速，高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)具有精確觸發(fā)功能，可在最小的MCU負(fù)載下精確測(cè)量三相電流，并可在發(fā)生機(jī)械故障時(shí)快速關(guān)閉電機(jī)故障處理。

圖1：在此代表中用于面向磁場(chǎng)的控制架構(gòu)的固件棧，片上外設(shè)補(bǔ)充了由器件MCU執(zhí)行的軟件程序。

單個(gè)MCU產(chǎn)品通過(guò)專(zhuān)為更廣泛的應(yīng)用要求和更高性能而設(shè)計(jì)的專(zhuān)用功能增強(qiáng)了這些基本電機(jī)控制功能。例如，飛思卡爾的Cortex-M4 K10 Kinetis MCU提供專(zhuān)用的信號(hào)處理功能，如桶形移位器以及并行化功能，如單周期，單指令/多數(shù)據(jù)(SIMD)和單周期乘法器累加器(MAC) )。 Microchip的dsPIC33F 16位電機(jī)控制系列通過(guò)其片上40-MIPS數(shù)字信號(hào)控制器內(nèi)核實(shí)現(xiàn)了所需的性能。恩智浦LPC17xx和LPC32x0分別將專(zhuān)用電機(jī)控制PWM與ARM 32位Cortex-M3和16/32位ARM9內(nèi)核相結(jié)合。在每種情況下，MCU供應(yīng)商都將專(zhuān)用的片上硬件與專(zhuān)用軟件庫(kù)相結(jié)合，以滿足電機(jī)控制要求，例如基于FOC的設(shè)計(jì)。

FOC算法

FOC算法通過(guò)采用三相電機(jī)提供PMSM優(yōu)勢(shì)通過(guò)一系列變換發(fā)出信號(hào)，這些變換旨在將定子測(cè)量的三相時(shí)變電機(jī)電流轉(zhuǎn)換為更簡(jiǎn)單的兩相，時(shí)不變，以轉(zhuǎn)子為中心的參考，可以更容易地進(jìn)行操作(參見(jiàn)圖2) 。結(jié)果

圖2：磁場(chǎng)定向控制算法使用一系列信號(hào)變換來(lái)實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的電子換向。

在FOC算法的初始輸入階段，MCU使用Clarke變換將三相(IA，IB，IC)電流矢量投影到兩相(Iα，Iβ)矢量空間，該矢量空間仍以定子為參考。然后，MCU應(yīng)用Park變換將定子參考的Iα，Iβ矢量以角度Φ旋轉(zhuǎn)到新的雙軸坐標(biāo)系，其中單獨(dú)的磁通(Id)和扭矩(Iq)分量與旋轉(zhuǎn)器對(duì)齊。由于這個(gè)新的坐標(biāo)系相對(duì)于轉(zhuǎn)子保持固定，因此它在參考平面上是時(shí)不變的。

將定子磁場(chǎng)矢量與轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系對(duì)齊所需的旋轉(zhuǎn)角Φ當(dāng)然取決于轉(zhuǎn)子位置，傳統(tǒng)上通過(guò)連接在電機(jī)軸上的傳感器測(cè)量。如上所述，額外的傳感器增加了BOM成本并降低了電機(jī)系統(tǒng)的壽命，激發(fā)了人們對(duì)無(wú)傳感器方法的興趣增加，這種方法通過(guò)利用其與反電動(dòng)勢(shì)的已知關(guān)系來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)子位置。然而，與梯形電機(jī)不同，F(xiàn)OC設(shè)計(jì)中的反電動(dòng)勢(shì)必須使用虛擬電機(jī)模型進(jìn)行估算，因?yàn)樗邢喽紖⑴c換向。因此，無(wú)傳感器FOC設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生額外的處理負(fù)載，并要求MCU能夠快速返回通過(guò)表查找，浮點(diǎn)算法或整數(shù)方法(如使用桶形移位器的CORDIC算法)計(jì)算出的三角函數(shù)的結(jié)果。

通過(guò)移動(dòng)三個(gè) - 相位，時(shí)變矢量空間到兩軸時(shí)不變矢量空間，F(xiàn)OC算法允許工程師應(yīng)用直流電機(jī)中使用的傳統(tǒng)比例 - 積分 - 微分(PID)控制器來(lái)計(jì)算新的目標(biāo)電壓Vd和Vq。實(shí)際上，電機(jī)速度變化的慢響應(yīng)時(shí)間意味著在這些控制器中通常不需要D項(xiàng)。注意，在轉(zhuǎn)子中使用永磁體意味著沒(méi)有滑動(dòng)，因?yàn)檗D(zhuǎn)子產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁通以與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相同的速度旋轉(zhuǎn)。因此，圖2中所示的參考通量IDREF為零;通過(guò)校準(zhǔn)設(shè)置轉(zhuǎn)矩參考值Iqref以滿足所需的性能目標(biāo)。

MCU通過(guò)逆向停車(chē)變換傳遞PI控制器的輸出，將轉(zhuǎn)子參考的Vd，Vq值轉(zhuǎn)換為定子參考值。然后，MCU通過(guò)反向Clarke變換傳遞這些結(jié)果，以產(chǎn)生所需的三相電壓矢量，然后將其轉(zhuǎn)換為脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)，并傳送到直接驅(qū)動(dòng)PMSM的三相功率級(jí)。 br》電機(jī)控制MCU供應(yīng)商通過(guò)廣泛的軟件庫(kù)簡(jiǎn)化了基于FOC的設(shè)計(jì)的固件開(kāi)發(fā)。例如，STMicroelectronics將其STM32F103xx系列MCU與用C語(yǔ)言編寫(xiě)的完整PMSM FOC庫(kù)配對(duì)。同樣，TI的TMS320C2代碼庫(kù)包括用于Park和Clarke變換的優(yōu)化C庫(kù)，能夠在短至125個(gè)周期內(nèi)完成Park變換。 》這一系列的變換和控制功能帶來(lái)了大量的處理負(fù)荷，這在無(wú)傳感器設(shè)計(jì)中進(jìn)一步惡化。無(wú)傳感器FOC邏輯需要包括特殊的初始化和啟動(dòng)程序，以解決靜止電機(jī)中缺少可觀察的電流測(cè)量問(wèn)題(參見(jiàn)圖3)。 FOC啟動(dòng)程序通常應(yīng)用預(yù)設(shè)的正弦波模式，使電機(jī)運(yùn)行到基于MCU的控制系統(tǒng)切換到無(wú)動(dòng)態(tài)無(wú)傳感器測(cè)量所需的足夠速度。

圖3：點(diǎn)擊啟動(dòng)或復(fù)位基于無(wú)傳感器FOC PMSM的白色物品應(yīng)用程序上的按鈕將電機(jī)控制系統(tǒng)置于專(zhuān)用狀態(tài)，以便將電機(jī)正確旋轉(zhuǎn)到足夠的速度，以便安全地轉(zhuǎn)換到無(wú)傳感器狀態(tài)。