電動(dòng)馬達在今天的工業(yè)和日常生活中發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用。各種應用——從家電到汽車(chē)和重工業(yè)機器人——都采用無(wú)刷直流(BLDC)和交流電機，因為它們能效高，可定制性更廣。交流和BLDC電機在許多應用中都是首選，因為它們的缺點(diǎn)很少，如微控制器成本和復雜的控制算法。
本系列博客將討論一些不同的電機控制方案，首先是BLDC或交流電機的磁場(chǎng)定向控制(FOC)。
FOC是驅動(dòng)電動(dòng)馬達的最有效方式之一。FOC的主要目標是保持正交的定子和轉子磁場(chǎng)以產(chǎn)生最大扭矩。一種方法是不斷監測三個(gè)時(shí)變相電流，并調制每個(gè)施加的相電壓以實(shí)現正確的時(shí)變定子磁場(chǎng)方向。然而，這說(shuō)起來(lái)容易做起來(lái)難，而且由于硬件/軟件要求增加，在實(shí)踐中也很困難。
在磁場(chǎng)定向控制中，時(shí)變電流仍被監測并投影到一個(gè)靜止的參照坐標系上，在那里它們被分解成轉矩(q軸)和場(chǎng)通量(d軸)分量。這在數學(xué)上是通過(guò)克拉克變換(Clarke transformation)和帕克變換(Park transformation)完成的，這有助于在一個(gè)時(shí)間不變的參照坐標系內直接控制轉矩，減少控制的復雜性和帶寬要求。
圖1：用克拉克變換(Iα和Iβ)投影三相電流，然后通過(guò)帕克變換投影到線(xiàn)性d,q旋轉參照坐標系
然后，指令的d-q軸分量被轉換回3相時(shí)變系統，以通過(guò)逆變器開(kāi)關(guān)的PWM控制正確調制3相電流。
但是，轉子的磁場(chǎng)角必須是已知的，以保持正交的定子和轉子磁場(chǎng)。這可通過(guò)編碼器或旋轉變壓器的位置反饋來(lái)實(shí)現(有傳感器)，也可通過(guò)反電動(dòng)勢/磁通觀(guān)測器軟件來(lái)測量相電流以估計轉子角(無(wú)傳感器)。
編碼器一般分為兩類(lèi)：增量式和絕對式。增量式編碼器可測量相對角位置和旋轉方向，但不能提供零速時(shí)的絕對位置信息。例如，對于增量式正交編碼器，正交相位的兩個(gè)A/B脈沖信號表示相對角運動(dòng)(例如，每轉1000個(gè)脈沖)，有時(shí)還提供附加的Z索引信號以提供參考點(diǎn)。A/B信號的相對相位的極性(例如，A滯后B或B滯后A)表示旋轉方向。絕對編碼器通過(guò)各種數字編碼提供真實(shí)的角位置。然而，由于信號數量和帶寬要求的增加，它們往往需要通信總線(xiàn)將信號發(fā)送到控制器(例如，16位位置編碼)。
相電流檢測
無(wú)論為FOC選擇的是有傳感器還是無(wú)傳感器的實(shí)現方式，都必須準確測量相電流以保持精確的扭矩控制。測量相電流的最常用方法是在逆變器級中使用分流電阻器在每個(gè)低側MOSFET的源極和地之間進(jìn)行低側檢測。由于分流器的共模電壓降低，可使用低成本電流檢測放大器。高側(串聯(lián))相電流檢測通常需要昂貴的專(zhuān)業(yè)的高共模抑制比CMRR或隔離放大器電路來(lái)減輕共模電壓誤差，因為共模電壓在PWM頻率下大致在直流輸入電壓和地之間波動(dòng)。
理想情況下，所有三個(gè)相位的電流都是同時(shí)測量的，但有可能減少分流電阻器的數量，從而降低系統成本和功率損耗，但會(huì )增加電流檢測帶寬和軟件復雜性。雙分流架構依靠基爾霍夫電流定律(Kirchhoff’s current law)，從兩個(gè)測量電流計算未測量電流(例如，流入U和V相的電流等于流出W相的電流)。單分流器架構需要了解逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)才能將測量電流與實(shí)際相電流相關(guān)聯(lián)。
通常，用于確定所有相電流的測量精度會(huì )隨著(zhù)分流電阻數量的減少(從3個(gè)減少到1個(gè))而降低。因此，需要更快的測量電路，并且總系統延遲成為一個(gè)更重要的因素。此外，在跟蹤檢測的正確時(shí)刻和確定從測量電流到實(shí)際相電流的相關(guān)性方面，軟件的復雜性也會(huì )增加，在單分流架構中最為明顯。
下面的圖2和圖3舉例說(shuō)明了有傳感器和無(wú)傳感器FOC電機控制系統。
有傳感器FOC
圖2：有傳感器FOC電機控制系統框圖
圖2顯示了使用正交編碼器的有傳感器FOC實(shí)施所需的信號。反饋至少需要1-3個(gè)電流檢測輸入(取決于分流架構)到ADC和正交A/B/Z信號的3個(gè)GPIO引腳。還必須為編碼器供電。
無(wú)傳感器FOC
圖3：無(wú)傳感器FOC電機控制系統框圖
圖3顯示了實(shí)施無(wú)傳感器FOC所需的信號。根據分流架構，ADC至少需要一到三個(gè)電流檢測輸入來(lái)提供反饋。
電機開(kāi)發(fā)套件STR-1KW-MDK-GEVK和STR-MDK-4KW-65SPM31-GEVK是兩個(gè)全面的電機控制方案，它們采用大功率模塊，以有傳感器和無(wú)傳感器FOC控制來(lái)驅動(dòng)電機。
保護功能
過(guò)流保護(OCP)
對于FOC，由于低側電流檢測已用于控制，這些相同的信號也可用于OCP。然而，如前所述，低側電流檢測只能檢測逆變器級和電機中的故障�？梢詫�(shí)施額外的高側總線(xiàn)電流檢測電路，以防止電源下游的其他故障。
硬件、軟件或兩者都可實(shí)現OCP。通常，基于硬件的OCP將提供更快的響應，但基于軟件的OCP更靈活。ADC的滿(mǎn)量程電流測量范圍限制了基于軟件的OCP的最大觸發(fā)點(diǎn)。硬件/軟件的組合實(shí)現可用于實(shí)現鎖存OCP，以快速緩解災難性的硬故障，而基于軟件的OCP可控制動(dòng)態(tài)事件，如逐周期相位電流限制。
過(guò)壓保護(OVP)
在特定應用中，如再生制動(dòng)可能導致直流母線(xiàn)上的電壓過(guò)高，可能有必要通過(guò)二極管箝位或撬棍電路實(shí)現HW OVP�；谲浖腛VP也可以通過(guò)監測直流母線(xiàn)來(lái)實(shí)現，并通過(guò)禁用逆變器輸出來(lái)保護電機免受高于電機額定電壓的潛在破壞電壓。
過(guò)溫保護(OTP)
監控逆變器MOSFET 和/或電路板溫度對于所有控制方法通常是個(gè)好主意，尤其是當系統經(jīng)受不同環(huán)境溫度的影響或冷卻系統發(fā)生故障時(shí)。例如，PWM占空比限制可隨著(zhù)溫度的升高而動(dòng)態(tài)降低，熱監控也可幫助確定器件隨時(shí)間的退化。
MOSFET 門(mén)極驅動(dòng)器
逆變器MOSFET的門(mén)極驅動(dòng)器的選擇對于任何電機控制系統來(lái)說(shuō)都是至關(guān)重要的，而且應該明確地根據系統要求進(jìn)行選擇。不當的門(mén)極驅動(dòng)器選擇可能會(huì )導致性能顯著(zhù)下降，甚至是災難性的系統故障。
安森美(onsemi)有多種單相HS-LS MOSFET門(mén)極驅動(dòng)器，如NCP51530和FAN73933，可用于每個(gè)逆變器相位(共3個(gè))。但對于3相電機控制，也可選擇使用專(zhuān)門(mén)的集成3相門(mén)極驅動(dòng)器，包括FAN7388、FAN73896和FAN7888。
一般來(lái)說(shuō)，三個(gè)單相門(mén)極驅動(dòng)器的原始性能比集成三相方案更好，因為與每一相的耦合更緊密。然而，集成的三相驅動(dòng)器通常還實(shí)現電機控制應用中常見(jiàn)的輔助功能，降低了硬件的復雜性、元件數量和電路板尺寸。
另外，一些門(mén)極驅動(dòng)器具有自動(dòng)互補門(mén)極驅動(dòng)輸出和死區插入的功能，這允許單個(gè)PWM輸出(所需的PWM控制器信號從6個(gè)減到3個(gè))來(lái)控制每個(gè)逆變器相位。請注意，此功能不適合某些PWM方案。
結合基本保護技術(shù)，FOC可成為驅動(dòng)電動(dòng)機的最有效方法之一，也是在各種應用中提高電動(dòng)機控制和精度的好方法。 |
