電動馬達的作用就是把電能轉換成為機械能，而效率則是指產生的機械能與所用的電能之比。馬達的振動
、發熱、zaoshenghexieboshuyugezhongxingshidesunhao，yaoshixiangaoxiaolv
，jiuyingjianshaozhexienenghao。nameyounaxieshejijiqiaokegongshejirenyuanshiyong，yibangzhutamenshixiangaoxiaolvne？

本文將介紹綜合運用磁場定向控製(FOC)算法和脈衝頻率調製(PFM)嚴密地控製馬達
，實現高精度與高效率。

FOC

標量控製(或者常稱的電壓/頻率控製)是一種簡單的控製方法
，通過改變供電電源(電壓)和提供給定子的頻率來改變馬達的扭矩和轉速。這種方法相當簡單，甚 至用8/16位微處理器也能完成設計。不過
，簡便的設計也伴隨著最大的缺陷——缺乏穩健可靠的控製。如果負載在高轉速下保持恒定，這種控製方法倒是足夠。 但一旦負載發生變化，係統就不能快速響應
，從而導致能量損失。

相比而言，FOC能夠提供嚴格的馬達控製。這種方法旨在讓定子電流和磁場保持正交狀態(即成90度角)
，以實現最大扭矩。由於係統獲得的磁場相關信息是恒定的(不論是從編碼器獲得，還是在無傳感器工作狀態下的估算)，它可以精確地控製定子電流，以實現最大機械扭矩。

一般來說FOC比較複雜，需要32位處理器和硬件加速功能。原因在於這種方法需要幾個計算密集型模塊，比如克拉克變換、帕克變換等，用於完成三維或二維坐標係間的相互轉換，以抽取電流相對磁通的關係信息。

如圖1所示，控製馬達所 需考慮的輸入包括目標扭矩指令、供電電流和轉子角。根據這些參數完成轉換和計算，計算出電力電子的新驅動值。完成一個周期的FOC所suo需xu的de時shi間jian被bei稱cheng為wei環huan路lu時shi間jian。不bu出chu所suo料liao，環huan路lu時shi間jian越yue短duan，係xi統tong的de響xiang應ying速su度du就jiu越yue快kuai。響xiang應ying速su度du快kuai的de係xi統tong意yi味wei著zhe馬ma達da能neng夠gou迅xun速su針zhen對dui負fu載zai做zuo出chu調tiao整zheng，在zai更geng短duan的de時shi間jian周zhou期qi內nei完wan成cheng誤wu差cha補bu償chang
，從cong而er實shi現xian更geng 加順暢的馬達運行和更高的效率。


一般采用嵌入式處理器實現FOC算法

，環路時間介於50us到100us之間，具體取決於模型和可用的硬件。此外
，還可采用軟件來實現FOC
，但無法保證其確定性。因此大量設計借助FPGA硬件加速，來發揮這種技術的確定性和高速處理優勢。使用最先進的28nm FPGA技術，典型FOC電流環路時間為1.6us1，相對采用軟件方法明顯縮短。

由於加強馬達控 製zhi不bu僅jin可ke降jiang低di噪zao聲sheng
，而er且qie還hai能neng提ti升sheng效xiao率lv和he精jing度du

，因yin此ci目mu前qian大da部bu分fen電dian流liu環huan路lu都dou采cai用yong硬ying件jian來lai實shi現xian

，而er且qie傾qing向xiang於yu把ba速su度du環huan路lu和he位wei置zhi環huan路lu也ye遷qian移yi到dao硬ying件jian實shi現xian方fang案an中zhong。這zhe種zhong做zuo法fa 是可能的
，因為隨著數字電子電路技術的進步
，單個器件擁有足夠強大的運算能力。用FPGA實現的速度控製環路時間和位置控製環路時間分別為3.6us1和 18us1。與傳統軟件方法相比這是顯著的性能提升
，因為傳統的位置環路時間一般在毫秒級。

調製

調製也是提高能效的關鍵模塊。根據負載

、性能要求和應用需求可以使用不同的調製方案，而且這些調製方案對馬達控製係統的運行影響重大。調製原理圖(圖2)分析了我們準備在本文中評論的幾種調製方案。

最基本的調製方案采用六步進調製法，這代表三相功率橋的6種可能組合(不含111和000空狀態，該狀態下所有開關均關斷)。這種開關方法表示為六邊形的6個藍色頂點。六步進調製法對馬達施加最大功率
，即逆變器的輸出電壓與Vdc相等。

雖(sui)然(ran)輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)大(da)，設(she)計(ji)實(shi)現(xian)方(fang)案(an)簡(jian)便(bian)，但(dan)如(ru)果(guo)馬(ma)達(da)要(yao)求(qiu)高(gao)精(jing)度(du)和(he)高(gao)穩(wen)健(jian)性(xing)，則(ze)不(bu)宜(yi)采(cai)用(yong)六(liu)步(bu)進(jin)調(tiao)製(zhi)法(fa)。這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)馬(ma)達(da)運(yun)行(xing)在(zai)非(fei)線(xian)性(xing)狀(zhuang)態(tai)下(xia)，需(xu)要(yao)從(cong)一(yi)種(zhong)狀(zhuang)態(tai)(頂點)“跳躍”到另一種狀態，不能平穩運行。

要(yao)讓(rang)馬(ma)達(da)更(geng)平(ping)穩(wen)運(yun)行(xing)，可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)正(zheng)弦(xian)調(tiao)製(zhi)法(fa)。正(zheng)弦(xian)調(tiao)製(zhi)法(fa)能(neng)夠(gou)讓(rang)馬(ma)達(da)平(ping)穩(wen)運(yun)行(xing)嗎(ma)，雖(sui)然(ran)與(yu)六(liu)步(bu)進(jin)調(tiao)製(zhi)法(fa)相(xiang)比(bi)這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)略(lve)顯(xian)複(fu)雜(za)

，而(er)且(qie)在(zai)效(xiao)率(lv)上(shang)也(ye)沒(mei)有(you)優(you)勢(shi)，因(yin)為(wei)逆(ni)變(bian)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)僅(jin)為(wei)Vdc的一半
，基本上是Vdc/2=0.5Vdc。在調製原理圖上，這表示為紅圈的內圈。


為彌補正弦調製造成的損耗，空間矢量PWM(SVPWM)調製法運營而生。SVPWM可以提供1/√3 Vdc=0.5773 Vdc的電壓。與正弦調製類似，SVPWM也能讓馬達平穩運行。在調製原理圖上
，這表示為紅圈的外圈。圖3是正弦調製法和SVPWM調製法的波形對比。


正弦調製法和空間矢量調製法均使用脈衝寬度調製(PWM)jishu，yizhongzuiweichangjiandegongyetiaozhijishu。danshimaichongkuandutiaozhishiyonggudingdetiaozhipinlv，tongguogaibianmaichongkuandulaitiaojieduigongdiandianyadekongzhi，guxiebodechuxianshigewenti。xieboshiEMI
、馬達振動的原因，也是一種能量損耗。

為抑製諧波，可以使用另一種調製方法，即使用脈衝頻率調製(PFM)。脈衝頻率調製可讓少量脈衝保持固定寬度，並根據所需的值按不同周期(頻率)進行調製。這種調製方法可以減少諧波，因諧波會分散到所有頻率上。

圖4和圖5即為對PWM和PFM的FFT(快速傅裏葉變換)頻率分析的對比情況。可以清楚地看到PFM可以消除第三次諧波失真。

 

實現方案

市場上已經有用於三相馬達的磁場定向控製實現解決方案。除了實現複雜的算法
，設計人員還應考慮該實現方案能否在馬達運行中在SVPWM、正弦PWM和FPM等不同調製方案間實時切換。其他需要考慮的方麵有：

- 使用同一器件控製多軸

- 集成實時網絡協議和更新

- 功能安全設計

要達到本文描述的性能

，可以選用Zynq-7000 All Programmable SoC。Zynq-7000 All Programmable SoC完美集成了1GHz 雙核 Cortex A9處理器子係統和FPGA架構(如圖6所示)。SoC子係統內置SPI、I2C、UART
、CAN、USB、GigE MAC等常見外設和接口，以及通用存儲器接口。高帶寬AMBA AXI互聯用於處理器子係統和FPGA之間的直接連接

，以實現高速數據互聯。此外，Zynq器件采用靈活的IO標準
，便於連接外部器件。


Zynq-7000 AP SoC經過精心設計，在單個芯片上即可提供一款最佳的馬達控 製平台。Cortex A9處理器可用於運行網絡軟件協議棧
、操作係統以及用戶的應用代碼。它們均以軟件方式運行，可實現對器件的總體應用管理。對於FOC算法、調製實現方案和 供工業網絡使用的定製MAC等關鍵性功能模塊，最好在FPGA架構中實現，以便發揮硬件加速和高速計算優勢。由於嵌入式處理器和FPGA架構集成在單個器 件中，可以靈活選用軟/硬件架構。