圖1：使用三相電壓源逆變器的三相無傳感器PMSM控製係統

 

采用基於帶有無傳感器磁場定向控製（FOC）的永磁同步電動機（PMSM）的高級電動機控製係統
，有兩個主要的驅動因素：提高能源效率和加強產品差異化。雖然具有無傳感器FOC的PMSM已被證明可以實現這兩個目標，但需要一種提供整體解決方法的生態係統。

 

為什麼選擇PMSM？

 

PMSM電動機是使用電子換向的無刷電動機。它經常與無刷直流電動機（BLDC）混淆
，後者是無刷電動機家族的另一成員，它也使用電子換向，但結構略有不同。PMSM的結構針對FOC進行了優化，而BLDC電機經過優化以使用6步切換技術。優化導致PMSM具有正弦反向電動勢（Back-EMF），而BLDC電機具有梯形反向電動勢。

 

這些電動機中的轉子傳感器也不同。PMSM通常使用位置編碼器，而BLDC電機使用三個霍爾傳感器進行操作。如果需要考慮成本
，設計人員可以考慮采用無傳感器技術

，從而消除了磁體、傳感器、連接器和布線的成本。由於減少了係統中可能發生故障的組件，因此消除傳感器還提高了可靠性。當將無傳感器PMSM與無傳感器BLDC進行比較時
，使用FOC算法的無傳感器PMSM可以提供更好的性能，同時使用類似的硬件設計，並且實現成本相當。

 

切換到PMSM的最大受益者是那些當前使用有刷直流（BDC）或交流感應電動機（ACIM）。開(kai)關(guan)的(de)主(zhu)要(yao)優(you)點(dian)包(bao)括(kuo)更(geng)低(di)的(de)功(gong)耗(hao)，更(geng)高(gao)的(de)速(su)度(du)，更(geng)平(ping)穩(wen)的(de)轉(zhuan)矩(ju)
，更(geng)低(di)的(de)噪(zao)聲(sheng)，更(geng)長(chang)的(de)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)以(yi)及(ji)更(geng)小(xiao)的(de)尺(chi)寸(cun)，從(cong)而(er)使(shi)該(gai)技(ji)術(shu)更(geng)具(ju)競(jing)爭(zheng)力(li)。但(dan)是(shi)
，為(wei)了(le)通(tong)過(guo)使(shi)用(yong)PMSM實現這些好處
，開發人員需要實現更複雜的FOC控製技術以及其他特定於應用的算法，以滿足係統需求。與BDC或ACIM相比，PMSM更為昂貴，但它提供了更多優勢。

 

實施挑戰

 

但是
，要實現使用PMSM的優勢
，需要了解實現先進的FOC電機控製技術所固有的硬件複雜性，以及所需的領域專業知識。圖1顯示了使用三相電壓源逆變器的三相無傳感器PMSM控製係統。控製逆變器需要三對相互關聯的高分辨率PWM信(xin)號(hao)，以(yi)及(ji)大(da)量(liang)需(xu)要(yao)信(xin)號(hao)調(tiao)理(li)的(de)模(mo)擬(ni)反(fan)饋(kui)信(xin)號(hao)。該(gai)係(xi)統(tong)還(hai)需(xu)要(yao)具(ju)有(you)容(rong)錯(cuo)的(de)硬(ying)件(jian)保(bao)護(hu)功(gong)能(neng)，該(gai)功(gong)能(neng)使(shi)用(yong)高(gao)速(su)模(mo)擬(ni)比(bi)較(jiao)器(qi)進(jin)行(xing)設(she)計(ji)以(yi)實(shi)現(xian)快(kuai)速(su)響(xiang)應(ying)。感(gan)測(ce)、控製和保護所需的這些額外的模擬組件會增加解決方案成本
，典型的BDC電機設計或ACIM的控製不需要這些。

 

定義和驗證PMSMdianjikongzhiyingyongdezujianguigehaixuyaoewaidekaifashijian。weileyingduizhexietiaozhan，shejirenyuankeyixuanzeweikongzhiqi，keyitigonggaodudemonijicheng，bingjuyouzhenduiPMSM電機控製量身定製的設備規格。這將減少所需的外部組件數量，並優化物料清單（BOM）。高度集成的電機控製設備現已提供高分辨率PWM
，以方便實施高級控製算法，用於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於通信和調試的串行接口。

 

同樣具有挑戰性的是電動機控製軟件與電動機機電行為之間的相互作用。圖2顯示了標準的無傳感器FOC框圖。要將其從一個概念應用於實際設計，需要了解控製器架構和數字信號處理器（DSP）指令
，以實現對數學要求嚴格的時間緊迫的控製回路。

 

圖2：標準無傳感器FOC的框圖

 

為了獲得可靠的性能，控製回路必須在一個PWM周期內執行。需要對控製回路進行時間優化的三個原因。

 

1）約束：使用等於或大於20KHz（50uS時間段）的PWM開關頻率來抑製逆變器開關產生的噪聲。

 

2）為了獲得更高帶寬的控製係統，控製回路必須在一個PWM 周期內執行。

 

3）為了支持其他後台任務，例如係統監視，特定於應用程序的功能和通信，控製回路需要運行得更快。FOC算法的目標應是在少於10uS的時間內執行。

 

許多製造商都提供了FOC展示軟件，該軟件帶有用於轉子位置的無傳感器估算器。但是
，在FOCsuanfashenzhiwufakaishixuanzhuandiandongjizhiqian
，bixupeizhigezhongcanshuyishiqiyudiandongjiheyingjianxiangpipei。weilemanzusuoxudesuduhexiaolvmubiao，bixujinyibuyouhuakongzhicanshuhexishu。zhekeyitongguoyixiazuheshixian：1）使用電機數據表推導參數，2）通tong過guo試shi錯cuo法fa進jin行xing實shi驗yan。當dang電dian動dong機ji參can數shu可ke能neng無wu法fa始shi終zhong準zhun確que地di表biao征zheng電dian動dong機ji參can數shu時shi，或huo者zhe當dang設she計ji人ren員yuan無wu法fa使shi用yong高gao精jing度du測ce量liang設she備bei時shi，開kai發fa人ren員yuan將jiang不bu得de不bu采cai用yong試shi錯cuo法fa。手shou動dong調tiao整zheng的de過guo程cheng需xu要yao時shi間jian和he經jing驗yan。

 

PMSM電dian動dong機ji用yong於yu許xu多duo不bu同tong的de應ying用yong

，可ke在zai不bu同tong的de環huan境jing中zhong運yun行xing或huo具ju有you不bu同tong的de設she計ji限xian製zhi。例li如ru
，在zai汽qi車che散san熱re器qi風feng扇shan中zhong
，當dang發fa動dong機ji將jiang要yao啟qi動dong時shi
，由you於yu風feng的de作zuo用yong，風feng扇shan葉ye片pian可ke沿yan反fan方fang向xiang自zi由you旋xuan轉zhuan。在zai這zhe種zhong情qing況kuang下xia，使shi用yong無wu傳chuan感gan器qi算suan法fa啟qi動dongPMSM電dian機ji是shi一yi項xiang挑tiao戰zhan，可ke能neng會hui損sun壞huai逆ni變bian器qi。一yi種zhong解jie決jue方fang案an是shi檢jian測ce旋xuan轉zhuan方fang向xiang和he轉zhuan子zi位wei置zhi，並bing使shi用yong此ci信xin息xi通tong過guo主zhu動dong製zhi動dong

，在zai啟qi動dong電dian動dong機ji之zhi前qian使shi電dian動dong機ji減jian速su至zhi停ting止zhi狀zhuang態tai。同tong樣yang，可ke能neng有you必bi要yao實shi施shi其qi他ta算suan法fa
，例li如ru每mei安an培pei最zui大da轉zhuan矩ju（MTPA），轉(zhuan)矩(ju)補(bu)償(chang)和(he)弱(ruo)磁(ci)等(deng)。這(zhe)些(xie)類(lei)型(xing)特(te)定(ding)於(yu)應(ying)用(yong)程(cheng)序(xu)的(de)附(fu)加(jia)算(suan)法(fa)對(dui)於(yu)開(kai)發(fa)實(shi)用(yong)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)是(shi)必(bi)不(bu)可(ke)少(shao)的(de)，但(dan)它(ta)們(men)也(ye)會(hui)因(yin)為(wei)增(zeng)加(jia)開(kai)發(fa)時(shi)間(jian)和(he)軟(ruan)件(jian)驗(yan)證(zheng)複(fu)雜(za)化(hua)而(er)增(zeng)加(jia)設(she)計(ji)複(fu)雜(za)性(xing)。

 

降低複雜度的一種解決方案是讓設計人員創建一種模塊化軟件體係結構，該體係結構使特定於應用程序的算法可以添加到FOC算法中，而不會影響時間緊迫的執行。圖3顯示了典型的實時電機控製應用程序的軟件架構。該框架的核心是FOC功gong能neng
，它ta具ju有you嚴yan格ge的de時shi序xu約yue束shu和he許xu多duo特te定ding於yu應ying用yong的de附fu加jia功gong能neng，框kuang架jia中zhong的de狀zhuang態tai機ji負fu責ze控kong製zhi功gong能neng與yu主zhu應ying用yong程cheng序xu接jie口kou。該gai體ti係xi結jie構gou需xu要yao在zai軟ruan件jian功gong能neng塊kuai之zhi間jian有you一yi個ge定ding義yi明ming確que的de接jie口kou
，以yi使shi其qi模mo塊kuai化hua並bing簡jian化hua代dai碼ma維wei護hu。模mo塊kuai化hua框kuang架jia支zhi持chi將jiang不bu同tong的de特te定ding於yu應ying用yong程cheng序xu的de算suan法fa與yu其qi他ta係xi統tong監jian視shi，保bao護hu和he功gong能neng安an全quan案an例li進jin行xing集ji成cheng。

 

圖3：FOC的應用框架

 

模塊化體係結構的另一個好處是將外圍接口層（或硬件抽象層）與電機控製軟件分離，這使設計人員可以隨著應用程序和性能要求的變化將IP無縫地從一個電機控製器遷移到另一個電機控製器。

 

完整生態係統的要求

 

為了應對這些挑戰，需要針對無傳感器FOC設(she)計(ji)量(liang)身(shen)定(ding)製(zhi)的(de)電(dian)機(ji)控(kong)製(zhi)生(sheng)態(tai)係(xi)統(tong)。電(dian)機(ji)控(kong)製(zhi)器(qi)，硬(ying)件(jian)，軟(ruan)件(jian)和(he)開(kai)發(fa)環(huan)境(jing)都(dou)應(ying)一(yi)起(qi)工(gong)作(zuo)，以(yi)簡(jian)化(hua)實(shi)現(xian)高(gao)級(ji)電(dian)機(ji)控(kong)製(zhi)算(suan)法(fa)的(de)過(guo)程(cheng)。為(wei)此(ci)
，生(sheng)態(tai)係(xi)統(tong)應(ying)具(ju)有(you)以(yi)下(xia)功(gong)能(neng)：

 

1.一種高級工具
，可自動執行電機參數測量，設計控製環並生成源代碼，使沒有專業知識的設計人員也可以實現FOC電機控製以及編寫和調試非常耗時的關鍵代碼。

 

2. FOC的應用程序框架和不同的特定於應用程序的附加算法減少了開發和測試時間。

 

3.具有確定性響應的電機控製器和集成的模擬外設，可在單個芯片中進行信號調理和係統保護，從而降低了解決方案的總成本。

 

圖4顯示了一個電機控製生態係統架構的示例，其中包括應用程序框架和用於高性能dsPIC33電機控製數字信號控製器（DSC）的開發套件。該開發套件基於GUI的FOC軟件開發工具構建，該工具可以測量關鍵的電機參數並自動調整反饋控製增益。它還使用Motor Control應用程序框架（MCAF）weizaikaifahuanjingzhongchuangjiandexiangmushengchengsuoxudeyuandaima。jiejuefanganduizhandehexinshidianjikongzhiku
，tashishixianyingyongchengxudeshijianjinpodekongzhihuilugongnengyijiyudsPIC33 DSC的電機控製外設進行交互成為可能。這個GUI與多個可用的電機控製開發板配合使用
，以支持電機參數提取以及適用於各種低壓和高壓電機的FOC代碼生成。

 

圖4：Microchip Technology電機控製生態係統架構

 

對高能效和產品差異化的需求推動了向無刷電機的過渡。 全麵的電機控製生態係統提供了一種整體方法來簡化帶有PMSM的無傳感器FOC的實現，並且應包括專用的電機控製器，快速原型開發板和易於使用的FOC開發軟件，以實現代碼自動生成。