基於無感測器磁場導(dǎo)向控制（FOC）永磁同步馬達(dá)（PMSM）的先進(jìn)馬達(dá)控制系統(tǒng)的快速普及，這種現(xiàn)象的背後有兩個主要驅(qū)動因素：為提高能效及加強(qiáng)產(chǎn)品的差異化。雖然有證據(jù)顯示採用無感測器FOC的PMSM可以實現(xiàn)這兩個目標(biāo)，但需要一個可提供整體實現(xiàn)方法的設(shè)計生態(tài)系統(tǒng)才能取得成功。有了整體的生態(tài)系統(tǒng)，設(shè)計人員才能夠克服在系統(tǒng)設(shè)計過程中的各種挑戰(zhàn)。

為什麼選擇PMSM？

PMSM馬達(dá)是一種使用電子整流的無刷馬達(dá)。它經(jīng)常與無刷直流馬達(dá)（BLDC）混淆，後者是無刷馬達(dá)系列的另一個成員，也使用電子整流，但在結(jié)構(gòu)上略有不同。PMSM的結(jié)構(gòu)可針對FOC進(jìn)行優(yōu)化，而BLDC馬達(dá)經(jīng)過優(yōu)化後可使用6步整流技術(shù)。經(jīng)過優(yōu)化後的PMSM可獲得正弦波反電動勢（Back-EMF），而BLDC馬達(dá)則獲得梯形波反電動勢。

這些馬達(dá)各自使用的轉(zhuǎn)子位置感測器也不同。PMSM通常使用一個位置編碼器進(jìn)行操作，而BLDC馬達(dá)則使用三個霍爾感測器(Hall sensors)進(jìn)行操作。如果考慮到成本，設(shè)計人員可以考慮實施無感測器技術(shù)，以省去磁體、感測器、連接器和接線的成本。去除了感測器還有助於提高可靠性，因為這可以減少系統(tǒng)中可能故障元件的數(shù)量。當(dāng)比較無感測器PMSM和無感測器BLDC時，使用FOC演算法的無感測器PMSM可在使用類似硬體設(shè)計以及接近成本下提供更出色的性能。

轉(zhuǎn)移使用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(yīng)馬達(dá)（ACIM）的應(yīng)用。主要優(yōu)點包括具有更低的功耗、更高的速度、更平穩(wěn)的轉(zhuǎn)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(yīng)用更具競爭力。但是，要想實現(xiàn)使用PMSM的這些好處，開發(fā)人員必須採用更複雜的FOC控制技術(shù)以及其他應(yīng)用特定演算法，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。

實作上的挑戰(zhàn)

但是，要實現(xiàn)使用PMSM的優(yōu)勢，必須瞭解實現(xiàn)先進(jìn)FOC馬達(dá)控制技術(shù)時固有的硬體複雜性，同時還需要掌握這一領(lǐng)域的專業(yè)知識。圖1給出了使用三相電壓源逆變器(inverter)的三相無感測器PMSM控制系統(tǒng)。控制逆變器需要三對相互關(guān)聯(lián)的高解析度PWM訊號，以及大量需要訊號調(diào)整的類比回饋訊號。此系統(tǒng)還需要硬體保護(hù)功能來實現(xiàn)容錯，同時利用高速類比比較器實現(xiàn)快速回應(yīng)。這些實現(xiàn)感測、控制和保護(hù)所需的額外類比元件增加了解決方案的成本，而典型的BDC馬達(dá)設(shè)計或簡單的ACIM每赫茲電壓（V/F）控制並不需要這些元件。

圖1 : 使用三相電壓源逆變器的三相無感測器PMSM控制系統(tǒng)

此外，還有為PMSM馬達(dá)控制應(yīng)用定義元件規(guī)格和進(jìn)行驗證所需的開發(fā)時間。 要應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，設(shè)計人員可以選擇一款合適的微控制器，以實現(xiàn)與專為PMSM馬達(dá)控制客製化元件規(guī)格的高度類比整合。這將會減少所需的外部元件數(shù)量並優(yōu)化物料清單（BOM）。高度整合的馬達(dá)控制元件現(xiàn)已具有高解析度PWM，可簡化先進(jìn)控制演算法、用於精密測量和訊號調(diào)整的高速類比周邊、功能安全所需的硬體周逼，以及用於通訊和除錯的序列介面的實現(xiàn)。

此外，還有一個較大的挑戰(zhàn)，即馬達(dá)控制軟體與馬達(dá)機(jī)電行為之間的互動。圖2顯示出標(biāo)準(zhǔn)的無感測器FOC方塊圖。要將其從概念轉(zhuǎn)變?yōu)閷嶋H的設(shè)計，必須瞭解控制器架構(gòu)和數(shù)位訊號處理器（DSP）指令，以實現(xiàn)需要快速大量計算的控制環(huán)。

圖2 : 標(biāo)準(zhǔn)無感測器FOC的方塊圖

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

1. 限制：使用不低於20 kHz的PWM交換頻率（時長為50 μs），以抑制來自逆變器切換的雜訊。

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

3.為支援其他幕後所需的工作（如系統(tǒng)監(jiān)視、應(yīng)用特定功能和通訊），控制環(huán)必須以更快的速度運行。因此，F(xiàn)OC演算法的目標(biāo)應(yīng)該是在10 μs以內(nèi)執(zhí)行完成。

許多製造商提供了FOC示範(fàn)軟體是利用無感測器估算器來估算轉(zhuǎn)子位置。但是，在使馬達(dá)開始轉(zhuǎn)動之前，F(xiàn)OC演算法必須配置各種參數(shù)以匹配馬達(dá)和硬體。必須對控制參數(shù)和係數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，以滿足所需的速度和效率目標(biāo)。這時可以結(jié)合以下方法實現(xiàn)這一目標(biāo)：

1. 使用馬達(dá)資料表獲得參數(shù)；

2. 反復(fù)進(jìn)行試驗。

馬達(dá)資料表並不能始終提供準(zhǔn)確的馬達(dá)參數(shù)，或設(shè)計人員無法獲得高精度測量設(shè)備，在這種情況下，開發(fā)人員將不得不借助反復(fù)試驗的方法。這種手動調(diào)整的過程需要時間和經(jīng)驗。

PMSM馬達(dá)用於許多不同的應(yīng)用，運行在不同的環(huán)境中，或者存在不同的設(shè)計限制。例如，在汽車散熱器風(fēng)扇中，當(dāng)馬達(dá)即將啟動時，由於風(fēng)的作用，風(fēng)扇葉片有可能向相反的方向自由旋轉(zhuǎn)。

在這種情況下，啟動採用無感測器演算法的PMSM馬達(dá)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(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)子位置，並利用這些資訊在啟動馬達(dá)前主動煞住馬達(dá)令其減速至靜止?fàn)顟B(tài)。同樣，還可能有必要實施附加演算法，如每安培最大轉(zhuǎn)矩（MTPA）、轉(zhuǎn)矩補償和磁場弱化等。這些類型的應(yīng)用特定附加演算法對於開發(fā)實用解決方案必不可少，但它們也會延長開發(fā)時間並使軟體驗證複雜化，進(jìn)而增加設(shè)計複雜程度。

降低複雜程度的一種解決方案是，設(shè)計人員創(chuàng)建一個模組化軟體架構(gòu)，這種架構(gòu)可將應(yīng)用特定演算法添加到FOC演算法中，同時不影響時效要求。圖3顯示出典型的即時馬達(dá)控制應(yīng)用程式的軟體架構(gòu)。此框架的核心是FOC函數(shù)，該函數(shù)提供了嚴(yán)格的時脈要求和許多應(yīng)用特定的附加功能。框架內(nèi)的狀態(tài)機(jī)將這些控制功能與主應(yīng)用程式連接起來。這種架構(gòu)在軟體函數(shù)塊之間必須要有一個定義明確的介面，以使其實現(xiàn)模組化並簡化程式維護(hù)工作。模組化框架支援不同應(yīng)用特定演算法與其他系統(tǒng)監(jiān)視、保護(hù)和功能安全程式的整合。

圖3 : FOC的應(yīng)用框架

模組化架構(gòu)的另一個好處是將周邊介面層（或硬體抽象層）從馬達(dá)控制軟體中分離出來，這便於設(shè)計人員在應(yīng)用功能和效能需求發(fā)生變化時，將其IP從一個馬達(dá)控制器無縫遷移到另一個馬達(dá)控制器。

完整生態(tài)系統(tǒng)的需求

應(yīng)對這些挑戰(zhàn)需要一個為無感測器FOC量身打造的馬達(dá)控制生態(tài)系統(tǒng)。馬達(dá)控制器、硬體、軟體和開發(fā)環(huán)境應(yīng)協(xié)同工作，以簡化實現(xiàn)先進(jìn)馬達(dá)控制演算法的過程。 為實現(xiàn)這一目標(biāo)，此生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)具有以下特性：

1.一種用於自動執(zhí)行馬達(dá)參數(shù)測量、設(shè)計控制環(huán)和產(chǎn)生原始程式碼的先進(jìn)工具，可讓沒有這方面專業(yè)領(lǐng)域知識的設(shè)計人員能夠?qū)崿F(xiàn)FOC馬達(dá)控制，可減少撰寫複雜程式碼的時程和縮短非常耗時的除錯及驗證程序。

2.適用於FOC和不同應(yīng)用特定附加演算法的應(yīng)用框架，用於縮短開發(fā)和測試時間

3.具有確定性回應(yīng)的馬達(dá)控制器以及可在單晶片中實現(xiàn)訊號調(diào)整和系統(tǒng)保護(hù)的整合類比周邊，用於降低解決方案總成本

圖4顯示出一個馬達(dá)控制生態(tài)系統(tǒng)架構(gòu)的範(fàn)例，其中包括應(yīng)用框架和一個用於高效能dsPIC33馬達(dá)控制數(shù)位訊號控制器（DSC）的開發(fā)套件。此開發(fā)套件在基於GUI的FOC軟體發(fā)展工具的基礎(chǔ)上構(gòu)建，可以測量關(guān)鍵的馬達(dá)參數(shù)並自動調(diào)整回饋控制增益。

圖4 : Microchip馬達(dá)控制生態(tài)系統(tǒng)架構(gòu)

此外，它還可為利用馬達(dá)控制應(yīng)用框架（MCAF）在開發(fā)環(huán)境中創(chuàng)建的專案生成所需的原始程式碼。解決方案協(xié)議堆疊的核心是馬達(dá)控制庫，這種庫可以實現(xiàn)應(yīng)用程式的時效型控制環(huán)功能，並與dsPIC33 DSC的馬達(dá)控制周邊互動。此GUI可與多個可用的馬達(dá)控制開發(fā)板配合使用，支援馬達(dá)參數(shù)提取並為各種低壓和高壓馬達(dá)產(chǎn)生FOC程式碼。

對高能效和產(chǎn)品差異化的需求推動了朝向無刷馬達(dá)的轉(zhuǎn)變。全面的馬達(dá)控制生態(tài)系統(tǒng)可提供一種整體方法來簡化基於PMSM的無感測器FOC的實現(xiàn)，這種方法應(yīng)包含專用的馬達(dá)控制器、快速原型開發(fā)板和可自動產(chǎn)生程式碼的易用FOC開發(fā)軟體。

（本文作者Nelson Alexander為Microchip資深行銷工程師）

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馬達(dá)（表面貼裝和內(nèi)建）的無感測器磁場導(dǎo)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] 馬達(dá)控制設(shè)計資源

https://www.microchip.com/design-centers/motor-control-and-drive

[4] 馬達(dá)控制庫

https://www.microchip.com/design-centers/motor-control-and-drive/motor-control-library