圖1：使用三相電壓源逆變器的三相無(wú)傳感器PMSM控制系統
采用基于帶有無(wú)傳感器磁場(chǎng)定向控制（FOC）的永磁同步電動(dòng)機（PMSM）的高級電動(dòng)機控制系統，有兩個(gè)主要的驅動(dòng)因素：提高能源效率和加強產(chǎn)品差異化。雖然具有無(wú)傳感器FOC的PMSM已被證明可以實(shí)現這兩個(gè)目標，但需要一種提供整體解決方法的生態(tài)系統。
為什么選擇PMSM？
PMSM電動(dòng)機是使用電子換向的無(wú)刷電動(dòng)機。它經(jīng)常與無(wú)刷直流電動(dòng)機（BLDC）混淆，后者是無(wú)刷電動(dòng)機家族的另一成員，它也使用電子換向，但結構略有不同。PMSM的結構針對FOC進(jìn)行了優(yōu)化，而B(niǎo)LDC電機經(jīng)過(guò)優(yōu)化以使用6步切換技術(shù)。優(yōu)化導致PMSM具有正弦反向電動(dòng)勢（Back-EMF），而B(niǎo)LDC電機具有梯形反向電動(dòng)勢。
這些電動(dòng)機中的轉子傳感器也不同。PMSM通常使用位置編碼器，而B(niǎo)LDC電機使用三個(gè)霍爾傳感器進(jìn)行操作。如果需要考慮成本，設計人員可以考慮采用無(wú)傳感器技術(shù)，從而消除了磁體、傳感器、連接器和布線(xiàn)的成本。由于減少了系統中可能發(fā)生故障的組件，因此消除傳感器還提高了可靠性。當將無(wú)傳感器PMSM與無(wú)傳感器BLDC進(jìn)行比較時(shí)，使用FOC算法的無(wú)傳感器PMSM可以提供更好的性能，同時(shí)使用類(lèi)似的硬件設計，并且實(shí)現成本相當。
切換到PMSM的最大受益者是那些當前使用有刷直流（BDC）或交流感應電動(dòng)機（ACIM）。開(kāi)關(guān)的主要優(yōu)點(diǎn)包括更低的功耗，更高的速度，更平穩的轉矩，更低的噪聲，更長(cháng)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(guò)使用PMSM實(shí)現這些好處，開(kāi)發(fā)人員需要實(shí)現更復雜的FOC控制技術(shù)以及其他特定于應用的算法，以滿(mǎn)足系統需求。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
但是，要實(shí)現使用PMSM的優(yōu)勢，需要了解實(shí)現先進(jìn)的FOC電機控制技術(shù)所固有的硬件復雜性，以及所需的領(lǐng)域專(zhuān)業(yè)知識。圖1顯示了使用三相電壓源逆變器的三相無(wú)傳感器PMSM控制系統�？刂颇孀兤餍枰龑ο嗷リP(guān)聯(lián)的高分辨率PWM信號，以及大量需要信號調理的模擬反饋信號。該系統還需要具有容錯的硬件保護功能，該功能使用高速模擬比較器進(jìn)行設計以實(shí)現快速響應。感測、控制和保護所需的這些額外的模擬組件會(huì )增加解決方案成本，典型的BDC電機設計或ACIM的控制不需要這些。
定義和驗證PMSM電機控制應用的組件規格還需要額外的開(kāi)發(fā)時(shí)間。為了應對這些挑戰，設計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電機控制量身定制的設備規格。這將減少所需的外部組件數量，并優(yōu)化物料清單（BOM）。高度集成的電機控制設備現已提供高分辨率PWM，以方便實(shí)施高級控制算法，用于精密測量和信號調節的高速模擬外設，功能安全所需的硬件外設以及用于通信和調試的串行接口。
同樣具有挑戰性的是電動(dòng)機控制軟件與電動(dòng)機機電行為之間的相互作用。圖2顯示了標準的無(wú)傳感器FOC框圖。要將其從一個(gè)概念應用于實(shí)際設計，需要了解控制器架構和數字信號處理器（DSP）指令，以實(shí)現對數學(xué)要求嚴格的時(shí)間緊迫的控制回路。
圖2：標準無(wú)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(gè)PWM周期內執行。需要對控制回路進(jìn)行時(shí)間優(yōu)化的三個(gè)原因。
1）約束：使用等于或大于20KHz（50uS時(shí)間段）的PWM開(kāi)關(guān)頻率來(lái)抑制逆變器開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的噪聲。
2）為了獲得更高帶寬的控制系統，控制回路必須在一個(gè)PWM 周期內執行。
3）為了支持其他后臺任務(wù)，例如系統監視，特定于應用程序的功能和通信，控制回路需要運行得更快。FOC算法的目標應是在少于10uS的時(shí)間內執行。
許多制造商都提供了FOC展示軟件，該軟件帶有用于轉子位置的無(wú)傳感器估算器。但是，在FOC算法甚至無(wú)法開(kāi)始旋轉電動(dòng)機之前，必須配置各種參數以使其與電動(dòng)機和硬件相匹配。為了滿(mǎn)足所需的速度和效率目標，必須進(jìn)一步優(yōu)化控制參數和系數。這可以通過(guò)以下組合實(shí)現：1）使用電機數據表推導參數，2）通過(guò)試錯法進(jìn)行實(shí)驗。當電動(dòng)機參數可能無(wú)法始終準確地表征電動(dòng)機參數時(shí)，或者當設計人員無(wú)法使用高精度測量設備時(shí)，開(kāi)發(fā)人員將不得不采用試錯法。手動(dòng)調整的過(guò)程需要時(shí)間和經(jīng)驗。
PMSM電動(dòng)機用于許多不同的應用，可在不同的環(huán)境中運行或具有不同的設計限制。例如，在汽車(chē)散熱器風(fēng)扇中，當發(fā)動(dòng)機將要啟動(dòng)時(shí)，由于風(fēng)的作用，風(fēng)扇葉片可沿反方向自由旋轉。在這種情況下，使用無(wú)傳感器算法啟動(dòng)PMSM電機是一項挑戰，可能會(huì )損壞逆變器。一種解決方案是檢測旋轉方向和轉子位置，并使用此信息通過(guò)主動(dòng)制動(dòng)，在啟動(dòng)電動(dòng)機之前使電動(dòng)機減速至停止狀態(tài)。同樣，可能有必要實(shí)施其他算法，例如每安培最大轉矩（MTPA），轉矩補償和弱磁等。這些類(lèi)型特定于應用程序的附加算法對于開(kāi)發(fā)實(shí)用的解決方案是必不可少的，但它們也會(huì )因為增加開(kāi)發(fā)時(shí)間和軟件驗證復雜化而增加設計復雜性。
降低復雜度的一種解決方案是讓設計人員創(chuàng )建一種模塊化軟件體系結構，該體系結構使特定于應用程序的算法可以添加到FOC算法中，而不會(huì )影響時(shí)間緊迫的執行。圖3顯示了典型的實(shí)時(shí)電機控制應用程序的軟件架構。該框架的核心是FOC功能，它具有嚴格的時(shí)序約束和許多特定于應用的附加功能，框架中的狀態(tài)機負責控制功能與主應用程序接口。該體系結構需要在軟件功能塊之間有一個(gè)定義明確的接口，以使其模塊化并簡(jiǎn)化代碼維護。模塊化框架支持將不同的特定于應用程序的算法與其他系統監視，保護和功能安全案例進(jìn)行集成。
圖3：FOC的應用框架
模塊化體系結構的另一個(gè)好處是將外圍接口層（或硬件抽象層）與電機控制軟件分離，這使設計人員可以隨著(zhù)應用程序和性能要求的變化將IP無(wú)縫地從一個(gè)電機控制器遷移到另一個(gè)電機控制器。
完整生態(tài)系統的要求
為了應對這些挑戰，需要針對無(wú)傳感器FOC設計量身定制的電機控制生態(tài)系統。電機控制器，硬件，軟件和開(kāi)發(fā)環(huán)境都應一起工作，以簡(jiǎn)化實(shí)現高級電機控制算法的過(guò)程。為此，生態(tài)系統應具有以下功能：
1.一種高級工具，可自動(dòng)執行電機參數測量，設計控制環(huán)并生成源代碼，使沒(méi)有專(zhuān)業(yè)知識的設計人員也可以實(shí)現FOC電機控制以及編寫(xiě)和調試非常耗時(shí)的關(guān)鍵代碼。
2. FOC的應用程序框架和不同的特定于應用程序的附加算法減少了開(kāi)發(fā)和測試時(shí)間。
3.具有確定性響應的電機控制器和集成的模擬外設，可在單個(gè)芯片中進(jìn)行信號調理和系統保護，從而降低了解決方案的總成本。
圖4顯示了一個(gè)電機控制生態(tài)系統架構的示例，其中包括應用程序框架和用于高性能dsPIC33電機控制數字信號控制器（DSC）的開(kāi)發(fā)套件。該開(kāi)發(fā)套件基于GUI的FOC軟件開(kāi)發(fā)工具構建，該工具可以測量關(guān)鍵的電機參數并自動(dòng)調整反饋控制增益。它還使用Motor Control應用程序框架（MCAF）為在開(kāi)發(fā)環(huán)境中創(chuàng )建的項目生成所需的源代碼。解決方案堆棧的核心是電機控制庫，它使實(shí)現應用程序的時(shí)間緊迫的控制回路功能以及與dsPIC33 DSC的電機控制外設進(jìn)行交互成為可能。這個(gè)GUI與多個(gè)可用的電機控制開(kāi)發(fā)板配合使用，以支持電機參數提取以及適用于各種低壓和高壓電機的FOC代碼生成。
圖4：Microchip Technology電機控制生態(tài)系統架構
對高能效和產(chǎn)品差異化的需求推動(dòng)了向無(wú)刷電機的過(guò)渡。 全面的電機控制生態(tài)系統提供了一種整體方法來(lái)簡(jiǎn)化帶有PMSM的無(wú)傳感器FOC的實(shí)現，并且應包括專(zhuān)用的電機控制器，快速原型開(kāi)發(fā)板和易于使用的FOC開(kāi)發(fā)軟件，以實(shí)現代碼自動(dòng)生成。
