利用完全可編程平臺實(shí)現高效馬達控制

碳足跡、綠色能源和氣候變化屢現新聞頭條，引人矚目。為保證我們的后代有一個(gè)潔凈的生活環(huán)境，我們必須立即行動(dòng)起來(lái)。為此，發(fā)達國家的政府以稅費的方式來(lái)降低碳排放和能源使用。由于超過(guò)半數的電力用于驅動(dòng)電動(dòng)馬達，因此設計人員不是應該而是必須采用更加高效的馬達控制與設計。

電動(dòng)馬達的作用就是把電能轉換成為機械能，而效率則是指產(chǎn)生的機械能與所用的電能之比。馬達的振動(dòng)、發(fā)熱、噪聲和諧波屬于各種形式的損耗，要實(shí)現高效率，就應減少這些能耗。那么有哪些設計技巧可供設計人員使用，以幫助他們實(shí)現高效率呢？

本文將介紹綜合運用磁場(chǎng)定向控制(FOC)算法和脈沖頻率調制(PFM)嚴密地控制馬達，實(shí)現高精度與高效率。

FOC

標量控制(或者常稱(chēng)的電壓/頻率控制)是一種簡(jiǎn)單的控制方法，通過(guò)改變供電電源(電壓)和提供給定子的頻率來(lái)改變馬達的扭矩和轉速。這種方法相當簡(jiǎn)單，甚至用8/16位微處理器也能完成設計。不過(guò)，簡(jiǎn)便的設計也伴隨著(zhù)最大的缺陷——缺乏穩健可靠的控制。如果負載在高轉速下保持恒定，這種控制方法倒是足夠。但一旦負載發(fā)生變化，系統就不能快速響應，從而導致能量損失。

相比而言，FOC能夠提供嚴格的馬達控制。這種方法旨在讓定子電流和磁場(chǎng)保持正交狀態(tài)(即成90度角)，以實(shí)現最大扭矩。由于系統獲得的磁場(chǎng)相關(guān)信息是恒定的(不論是從編碼器獲得，還是在無(wú)傳感器工作狀態(tài)下的估算)，它可以精確地控制定子電流，以實(shí)現最大機械扭矩。

一般來(lái)說(shuō)FOC比較復雜，需要32位處理器和硬件加速功能。原因在于這種方法需要幾個(gè)計算密集型模塊，比如克拉克變換、帕克變換等，用于完成三維或二維坐標系間的相互轉換，以抽取電流相對磁通的關(guān)系信息。

如圖1所示，控制馬達所需考慮的輸入包括目標扭矩指令、供電電流和轉子角。根據這些參數完成轉換和計算，計算出電力電子的新驅動(dòng)值。完成一個(gè)周期的FOC所需的時(shí)間被稱(chēng)為環(huán)路時(shí)間。不出所料，環(huán)路時(shí)間越短，系統的響應速度就越快。響應速度快的系統意味著(zhù)馬達能夠迅速針對負載做出調整，在更短的時(shí)間周期內完成誤差補償，從而實(shí)現更加順暢的馬達運行和更高的效率。

圖1：磁場(chǎng)定向控制可以嚴密地控制馬達扭矩，提高效率。環(huán)路時(shí)間越短，系統響應速度越快。

一般采用嵌入式處理器實(shí)現FOC算法，環(huán)路時(shí)間介于50us到100us之間，具體取決于模型和可用的硬件。此外，還可采用軟件來(lái)實(shí)現FOC，但無(wú)法保證其確定性。因此大量設計借助FPGA硬件加速，來(lái)發(fā)揮這種技術(shù)的確定性和高速處理優(yōu)勢。使用最先進(jìn)的28nm FPGA技術(shù)，典型FOC電流環(huán)路時(shí)間為1.6us1，相對采用軟件方法明顯縮短。

由于加強馬達控制不僅可降低噪聲，而且還能提升效率和精度，因此目前大部分電流環(huán)路都采用硬件來(lái)實(shí)現，而且傾向于把速度環(huán)路和位置環(huán)路也遷移到硬件實(shí)現方案中。這種做法是可能的，因為隨著(zhù)數字電子電路技術(shù)的進(jìn)步，單個(gè)器件擁有足夠強大的運算能力。用FPGA實(shí)現的速度控制環(huán)路時(shí)間和位置控制環(huán)路時(shí)間分別為3.6us1和18us1。與傳統軟件方法相比這是顯著(zhù)的性能提升，因為傳統的位置環(huán)路時(shí)間一般在毫秒級。調制

調制也是提高能效的關(guān)鍵模塊。根據負載、性能要求和應用需求可以使用不同的調制方案，而且這些調制方案對馬達控制系統的運行影響重大。調制原理圖(圖2)分析了我們準備在本文中評論的幾種調制方案。

最基本的調制方案采用六步進(jìn)調制法，這代表三相功率橋的6種可能組合(不含111和000空狀態(tài)，該狀態(tài)下所有開(kāi)關(guān)均關(guān)斷)。這種開(kāi)關(guān)方法表示為六邊形的6個(gè)藍色頂點(diǎn)。六步進(jìn)調制法對馬達施加最大功率，即逆變器的輸出電壓與Vdc相等。

雖然輸出功率大，設計實(shí)現方案簡(jiǎn)便，但如果馬達要求高精度和高穩健性，則不宜采用六步進(jìn)調制法。這是因為馬達運行在非線(xiàn)性狀態(tài)下，需要從一種狀態(tài)(頂點(diǎn))“跳躍”到另一種狀態(tài)，不能平穩運行。

要讓馬達更平穩運行，可以使用正弦調制法。正弦調制法能夠讓馬達平穩運行嗎，雖然與六步進(jìn)調制法相比這種方法略顯復雜，而且在效率上也沒(méi)有優(yōu)勢，因為逆變器的輸出僅為Vdc的一半，基本上是Vdc/2=0.5Vdc。在調制原理圖上，這表示為紅圈的內圈。