先進的馬達控制解決方案進入主流

05-15

在過去的二十年中，電機控制設計的一個一致的趨勢是使用基於演算法的控制技術來部署無感測器電機，該技術比簡單的標量控制同時提供更多的轉矩、更大的效率和更好的精度。這需要高效的電機控制演算法和由MCU執行的大量數字處理。

　　直到最近，控制複雜度本身已經成為一個挑戰，設計工程師誰沒有深厚的背景電機理論和演算法。對於相對新手來說，使用估計器和觀測器演算法是很困難的，因為他們在現實世界中並沒有很好地工作。

　　電機控制演算法通常需要手動調節，整個實現過程涉及許多注意事項。由於學習曲線相當陡峭，設計往往需要幾個月。然而，新的演算法即將上線，這將重點轉移到僅僅獲得最佳性能和朝向耦合易用性與控制複雜度，同時沒有關於最優性能的讓步。

電動機基礎

　　交流感應電動機(ACI)是住宅、商業和工業應用中的主要電機類型。它們在各種各樣的應用中被發現，例如白色的貨物、泵、風扇和冰箱的壓縮機、暖通空調系統等等。

　　ACI電機是非同步運行的，因為兩個關鍵的機械部件-定子和轉子-以不同的速度旋轉。雖然ACIS提供了優良的速度和轉矩控制，良好的效率和低成本，但它們需要複雜的反饋和控制機制來保持變速和低速的效率。

　　兩種廣泛使用的電機類型都採用同步操作。無刷直流電動機(BLDC)通過改變電流來控制定子磁通，而轉子磁通通過永磁體或帶電線圈保持恆定。無刷直流電動機使用設定的狀態數來控制位置。使用的狀態越多，就越能精確地控制位置。但是更多的州需要更複雜的處理。永磁同步電動機(PMSM)類似於無刷直流電動機，但採用連續控制方案，而不是離散狀態。

　　兩種控制系統應用廣泛。簡單的標量控制項在新手設計師中很流行，因為它提供了簡單的實現和低的處理需求。由於它的簡單性，它可能是最流行的驅動ACI電機的方法。通過改變驅動電機的正弦波的頻率來控制速度。

　　由於沒有努力控制電流或優化轉矩，標量控制在低速和高速時是低效的，並且提供了較差的動態性能。標量控制對變化作出反應是緩慢的，經常超過設定點，並且在低速度下具有高的內部功率損耗。

　　解決簡單標量控制問題的複雜控制技術是面向場控制(FoC)。為了增加其複雜性，Foc通常提供成本節約、功率效率和更高的精度和性能。FAC也被稱為矢量控制，它對ACI和PMSM電機的全轉矩和速度範圍提供最優控制。

　　圖1將標量控制(有時稱為赫茲控制的伏特)與某些關鍵操作參數的Foc進行比較。

　　標量控制與FoC的比較表

　　圖1：場定向控制(Foc)提供全轉矩和速度範圍的完全控制，同時快速響應設定點或負載的變化。

　　Foc增加起動轉矩並有效地支持在所有速度下的最大扭矩。它的性能在整個電機速度範圍內是穩定的。由於Foc是電流控制的，開發人員可以優化電源逆變器電路以及電機尺寸到特定的應用。

無感測器操作

　　FOC控制的許多性能優勢是由於使用反饋環來調節速度、位置/角度、電流、磁通和轉矩。FOC需要測量轉速和轉子與定子之間的夾角。利用反饋也有助於複雜性。

　　開發人員可以用感測器或無感測器方法向控制系統提供反饋。感測器增加了系統的成本和組件-從而經常產生可靠性問題-但它們經常需要在高精度系統中。對於ACI電機應用，轉速計通常用於測量速度。基於PMSM的設計可以使用編碼器或旋轉變壓器來跟蹤位置，同時通過測量位置隨時間的變化來計算速度。

　　無感測器控制採用軟體方法，通過使用「狀態觀測器」演算法，如滑動模式和模型參考自適應系統(MRAS)，基於實時電流和電壓測量來建模電機的速度和角度。電流感測器和電壓感測器比位置感測器便宜得多(電流可以使用單個直流分流器來廉價和可靠地測量)，但是從系統微控制器需要一個健康數量的MIPS來實現數學馬達模型。

　　由於工業和白色家電電機消耗這麼多電，效率是最重要的設計目標之一。在電機功率非常低的功率端，節能在電池供電的應用中同樣重要。例如，Foc可以延長四旋翼直升機的電池壽命20%。為了優化效率，開發人員需要自適應地最大化轉矩，同時最小化產生轉矩的電流。

更好的聚焦實現

　　德克薩斯儀器的SITSPIN電機控制解決方案是一種創新的方法，提供高效，精確的電機控制，甚至新手設計師容易訪問。

　　心臟的SITSPIN產品是他們的快速演算法，其特徵在於電機控制電路，並為解決方案的三個其他組件創建基礎：

　　SITSPIN FOC保證定子磁場相對於轉子磁場的精確對準，以最大限度地提高轉矩產生能力，使定子磁場的電流控制精確，並允許對電機進行適當的設計和尺寸調整。

　　SistaSin運動建立在StasSPIN FoC上，添加SPANTAC，以提供跨系統的動態速度、位置和負載範圍的魯棒控制。

　　SITSPIN BLDC是以低成本BLDC應用為目標的無感測器控制技術。它不需要任何電機參數的知識和工作與一個單一的調諧值。

　　TI不發布關於它的SITSPAIN解決方案如何消除手動調整(和優化性能)的技術細節，但有一種技術被認為類似於音頻系統中的回聲消除。

　　圖2中的框圖顯示了快速演算法的輸入和輸出。僅需要三個輸入(電機相電流和電壓和母線電壓)。輸出是磁通、相角、速度和轉矩。

　　德克薩斯儀器圖像快速演算法

　　圖2：快速演算法利用了所有使用磁通的電機之間的相似性。

　　通過消除特定電機的異常信號，電機從控制角度變得更接近於理想電路。只有少數轉子的旋轉是必要的充分表徵它。TI稱目前正在解決的一個限制是，電機必須旋轉以便快速運行，並且SITSPASPIN軟體工作。這意味著，對於電機經常處於靜止狀態的位置控制應用，該解決方案目前不可行。

　　為了進一步維護其知識產權，演算法和Simistin代碼駐留在MCU ROM中。庫調用是由TI提供的開發工具包提供的。ROIP意味著只有TI的C2000 Piccolo家族中的特定MCU可以實現SITSPAIN解決方案。

　　雖然SITSPASIN將電機控制方面引入更多工程師的舒適區，但這不是一個完整的解決方案。設計者還必須編寫狀態機代碼和通信介面代碼。

　 用於電機控制的調諧MCU

　　具有智能電機控制的MCU成本低，但能提供令人印象深刻的性能。例如，單個TI PICCOLO MCU可以控制兩個電機，並且還執行高功率特徵，例如功率因數校正(PFC)。為了管理這一點，MCU集成了包括以下內容的片上外圍設備：

　　加速器：基於硬體的處理卸載主MCU，加速計算並簡化總體設計。例如，控制律加速器(CLA)能夠完全卸載整個閉環聚焦系統的處理。除了產生更精確的電機控制外，加速器還增加了加工餘量，允許開發人員通過抽象簡化設計，實現更先進的演算法和/或更低成本的MCU規格。

　　電機控制專用外設：高解析度和同步ADC使MCU同步ADC採樣與CPU提取以執行低延遲的精確電流測量。可編程的基於硬體的PWMS通過確保ADC採樣與PWM開關不一致來優化性能和效率。集成介面簡化了設計，消除了部件，降低了成本。

　　實時調試支持：電機控制應用程序需要調試，同時繼續服務中斷而不停止電機。基於硬體的實時調試電路使開發人員能夠直接和非侵入地訪問內部微控制器資源。基於硬體的調試對於部署到該領域的系統進行故障排除也是有用的。

　　具有快速ROM的三個C2000 PICCOLO子家族是：高性能、90 MHz、浮點2806x族，這一家族以其高功率範圍為特徵，包括TMS32 F28068 FPZT;中級2805X系列;以及低成本2802X，包括TMS32 F28027 FPTQ。

　　四個開發工具包可用於支持Foc SuthSPIN解決方案，並且，重要的是，訪問ROM中的IP。每一個都包括一個控制卡、驅動程序和軟體。一般來說，它們針對不同功率規格和範圍的電動機。BooSTXL插電式電機控制逆變器(BooStX-DRV8301)是一個廉價的評估平台;DRV8301-69M是一個60伏、40個連續的三相逆變器平台;DRV8312—69M成套工具是用於三相無刷直流(BLDC)和無刷交流(BLA)的電機控制評估套件。C)-或永磁同步(PMSM)-電動機;高壓電機控制工具箱(TMDSHVMTRIN SPIN)是用於高壓電機的數字控制的開發平台(110-240 VAC或直接DC匯流排輸入50-350V)。

結論

　　儘管大多數發動機運行效率不高，但電動汽車每天消耗的電力佔世界範圍的很大一部分。FoC技術不僅優化效率，而且性能和精度，已經提供了二十年，但直到最近，大多數工程師不能充分利用它，因為陡峭的學習曲線。新產品進入市場，使得複雜的電機控制解決方案更容易使用。諸如TI的快速演算法可以通過觀察轉子的幾個旋轉所產生的電流和電壓來表徵電機。使用該演算法產生的電路模型，分析軟體可以減少開發時間從幾個月到短短几天。電機效率可以提高10%到20%，並且改進的精度和性能也受到工程師設計具有越來越高性能目標的系統的歡迎。