讓我們介紹一種在我們應用場景中處於中心位置的永磁同步電機
，即PMSM。PMSM有you很hen多duo種zhong外wai形xing和he體ti積ji
，適shi合he很hen多duo種zhong應ying用yong
，從cong開kai關guan門men到dao機ji器qi人ren手shou術shu工gong具ju關guan節jie等deng。在zai這zhe一yi領ling域yu中zhong，它ta得de到dao了le廣guang泛fan的de應ying用yong，這zhe是shi因yin為wei其qi固gu有you的de可ke靠kao性xing、低成本，在我們的應用中
，經過適當的控製，可以實現高精度和高效率。實際上，應用的要求越來越高，PMSM支持您降低機電設計的複雜性，在軟件中實現複雜的功能。

 

PMSM機械和電氣特性非常簡單(圖1) 。轉子正如其名稱所示，是永磁體。通常有三個定子繞組，在電機中均勻的120度角分布。真正的訣竅在於繞組的不同：zhuandongmidushiweiraodingzichengzhengxianfenbu，yinci，raozushijishangzaibianyuanshangxianghuzhongdie。zairaozuheshidexiangweishangyingyongzhengxiandianliu，ninnenggoujianliyuzhuanzichangjiaoduchuizhidexuanzhuancichang
，congerzaizhuanzishanggaoxiaodechanshengniuju。

圖1. PMSM截麵

 

控製PMSM並不是高科技。一個簡單的MCUshiyongzhazhaobiaohechazhilaishengchengsuoxudequdongdianliushibianzhengxianxinhao，weiraozutigongdianliu。ruguosuanfazhengque，raozuhuichanshengdianjixuanzhuancichang，zhuanzisuizhizhuandong。suiranqibuyouxiefuza，danbijingwanchengrenwule
，duiba？buwanquanshizheyang。

 

 

開kai環huan控kong製zhi的de問wen題ti總zong是shi很hen複fu雜za。啟qi動dong電dian機ji，特te別bie是shi有you負fu載zai的de情qing況kuang，會hui比bi較jiao難nan，效xiao率lv也ye不bu高gao。開kai環huan控kong製zhi器qi的de響xiang應ying並bing不bu能neng很hen好hao的de適shi應ying負fu載zai扭niu矩ju或huo者zhe速su度du命ming令ling的de變bian化hua，無wu法fa抑yi製zhi振zhen動dong。出chu於yu通tong常chang的de考kao慮lv，反fan饋kui控kong製zhi係xi統tong工gong作zuo起qi來lai會hui更geng好hao一yi些xie。

 

問wen題ti是shi要yao控kong製zhi什shen麼me。很hen明ming顯xian，我wo希xi望wang控kong製zhi轉zhuan動dong角jiao度du，在zai某mou些xie應ying用yong中zhong，旋xuan轉zhuan速su度du。我wo們men必bi須xu通tong過guo控kong製zhi產chan生sheng旋xuan轉zhuan磁ci場chang的de三san個ge繞rao組zu電dian流liu來lai完wan成cheng這zhe一yi工gong作zuo。對dui此ci最zui好hao的de方fang法fa是shi，在zai業ye界jie已yi經jing應ying用yong的de多duo路lu步bu進jin，即ji
，線xian程cheng定ding位wei控kong製zhi (FOC) (圖2) 。

圖2. 驅動結構圖

第一，我們采集來自轉軸編碼器的轉子位置采樣，以及三個繞組中兩個繞組的電流采樣。

由(you)於(yu)一(yi)些(xie)很(hen)好(hao)的(de)數(shu)學(xue)算(suan)法(fa)，我(wo)們(men)並(bing)不(bu)需(xu)要(yao)所(suo)有(you)三(san)個(ge)繞(rao)組(zu)電(dian)流(liu)。這(zhe)些(xie)采(cai)樣(yang)告(gao)訴(su)我(wo)們(men)轉(zhuan)子(zi)以(yi)及(ji)定(ding)子(zi)旋(xuan)轉(zhuan)磁(ci)場(chang)的(de)瞬(shun)時(shi)位(wei)置(zhi)和(he)滯(zhi)後(hou)速(su)度(du)。我(wo)們(men)的(de)工(gong)作(zuo)是(shi)控(kong)製(zhi)轉(zhuan)子(zi)的(de)速(su)度(du)和(he)位(wei)置(zhi)，這(zhe)通(tong)過(guo)控(kong)製(zhi)定(ding)子(zi)繞(rao)組(zu)的(de)電(dian)流(liu)大(da)小(xiao)來(lai)實(shi)現(xian)，同(tong)時(shi)還(hai)要(yao)讓(rang)旋(xuan)轉(zhuan)磁(ci)場(chang)比(bi)轉(zhuan)子(zi)磁(ci)場(chang)超(chao)前(qian)90度。

 

通過兩個簡單的變換，我們很容易完成這一工作。Clarke變換將兩個定子繞組的電流采樣 — 它們分開120度
，映射到一對正交矢量上。矢量的方向相對於定子是固定的，當然，其矢量和是旋轉磁場矢量。Clarke變換隻需要將電流值乘以常數，加上乘積——簡單的乘累加運算。

 

第二種變換是Park變換，將這兩個正交矢量映射到轉子參考的旋轉幀中。

一個矢量與轉子磁場對齊
，另一個正交矢量，角度與其垂直。Park變換比較難處理。在進行矢量乘法把矢量變換成轉子參考幀之前，它使用瞬時轉軸位置來計算sin(θ)和cos(θ)係數。

 

現在，我們可以控製信號。我們把與轉子對齊的矢量保持為0，表示定子磁通量沒有對轉子產生扭矩。我們使用正交分量來控製轉子位置和速度，定子磁通量實際上產生了扭矩。

 

例如
，控製器會處理所需位置的輸入
，將其與傳統分立時間比例積分(PI) 控製電流的實際轉軸角度相對比，產生誤差信號
，輸出至 FOC 模塊。FOC 模塊然後會把這一誤差信號送入正交扭矩信號中，使轉子旋轉。模塊會應用 Park 反變換，把扭矩映射回定子參考的固定幀，然後
，通過Clarke反 bianhuan，baniujuxinhaoyingshedaodianliuzhong
，songrusangeraozu。zheyangjiugaibianledingziraozusuoxuweizhihesuoxusudushurujilixinhao，xuanzhuandingzicichang
，shizhuanzichuyusuoxudejiaodushang。

 

計算負載並沒有那麼複雜：FOC模塊每一采樣間隔可能是兩次三角運算，10次乘法，7次加法，以及一些其他運算來實現PI控製器。所有這些算法都可以在定點中實現
，需要仔細一些。采用目前的典型16 kHz采樣和脈衝寬度調製速率，我們並沒有降低現代32位MCU的整體性能。但是，不止於此。

 

 

讓我們從那個轉軸編碼器開始。FOC算suan法fa必bi須xu有you精jing確que的de轉zhuan軸zhou角jiao度du反fan饋kui。傳chuan統tong上shang，這zhe一yi數shu據ju來lai自zi轉zhuan軸zhou編bian碼ma器qi與yu電dian機ji轉zhuan軸zhou連lian接jie的de光guang機ji電dian設she備bei。但dan是shi，編bian碼ma器qi提ti高gao了le係xi統tong中zhong每mei一yi電dian機ji的de成cheng本ben、體積、重量
，增加了新的失效模式。它需要控製器工業標準接口。

 

原理上，有足夠的定子繞組電壓和電流信息來確定轉子位置。這樣，可以實現無傳感工作 — 至(zhi)少(shao)可(ke)以(yi)不(bu)采(cai)用(yong)轉(zhuan)軸(zhou)編(bian)碼(ma)器(qi)
，采(cai)用(yong)更(geng)多(duo)的(de)電(dian)流(liu)傳(chuan)感(gan)器(qi)和(he)三(san)個(ge)電(dian)壓(ya)傳(chuan)感(gan)器(qi)來(lai)替(ti)代(dai)它(ta)，所(suo)有(you)這(zhe)些(xie)信(xin)號(hao)都(dou)需(xu)要(yao)精(jing)確(que)的(de)模(mo)數(shu)轉(zhuan)換(huan)。這(zhe)樣(yang)，很(hen)多(duo)複(fu)雜(za)的(de)機(ji)械(xie)功(gong)能(neng)可(ke)以(yi)在(zai)軟(ruan)件(jian)中(zhong)實(shi)現(xian)。

 

就是這種想法。繞組負載上的電壓有兩個主要分量：繞組串聯電阻導致的IR壓降，來自繞組電感的後向EMF。但是，後向EMF本身有兩個來源：繞rao組zu自zi身shen的de電dian感gan
，以yi及ji轉zhuan子zi通tong過guo繞rao組zu磁ci力li線xian導dao致zhi的de漏lou磁ci通tong量liang。如ru果guo您nin能neng夠gou隔ge離li電dian壓ya變bian化hua的de最zui後hou部bu分fen，基ji本ben上shang就jiu能neng夠gou計ji算suan出chu轉zhuan子zi角jiao度du。實shi際ji上shang
，這zhe樣yang做zuo涉she及ji到dao一yi些xie計ji算suan，包bao括kuoPark變換，積分評估，以及每一采樣間隔期間的反三角函數運算。

 

raner
，chuleshiyanshihuanjing
，ninbutaikenenghuodedianjitexingdejingqueshuju，liru，raozuzukanghediangandeng。butongdedianjiyoubutongdezheleizhibiao，erqiezhexiezhibiaohaiduiwenduhelaohuadengqitacanshufeichangmingan。

 

由you此ci
，開kai發fa人ren員yuan建jian議yi了le各ge種zhong方fang案an從cong狀zhuang態tai變bian量liang矩ju陣zhen中zhong提ti取qu出chu轉zhuan子zi角jiao度du。這zhe些xie想xiang法fa包bao括kuo鎖suo定ding由you轉zhuan子zi導dao致zhi的de電dian壓ya波bo紋wen的de鎖suo相xiang環huan
，計ji算suan轉zhuan子zi位wei置zhi的de狀zhuang態tai估gu算suan器qi，將jiang其qi結jie果guo與yu以yi前qian的de數shu據ju進jin行xing對dui比bi，還hai有you最zui終zhong的de估gu算suan器qi，Kalman濾波器。與直接計算相比，這些方法至少讓計算負載增加了一倍
，每一周期至少需要30次算術運算。

 

 

FOC的(de)優(you)點(dian)之(zhi)一(yi)是(shi)能(neng)夠(gou)控(kong)製(zhi)振(zhen)動(dong)及(ji)其(qi)伴(ban)隨(sui)噪(zao)聲(sheng)。這(zhe)類(lei)測(ce)量(liang)提(ti)高(gao)了(le)能(neng)效(xiao)和(he)機(ji)械(xie)可(ke)靠(kao)性(xing)，有(you)可(ke)能(neng)不(bu)需(xu)要(yao)太(tai)多(duo)的(de)機(ji)械(xie)設(she)計(ji)。在(zai)消(xiao)費(fei)類(lei)市(shi)場(chang)上(shang)
，這(zhe)能(neng)夠(gou)把(ba)600美元的洗衣機抬高到售價800 美元的豪華型。

 

原理還是那麼簡單。如果振動的原因是控製環不穩定造成的
，那麼您可以改變 PI 控製器的增益
，使其更接近臨界阻尼。如果振動是由電機、驅動轉軸或者負載機械共振造成的，您可以通過吸收扭矩信號共振頻率功率來消除振動。比較方便的是，FOC方法使您能夠在扭矩信號變成三路時變正弦信號之前訪問它，因此，增加陷波濾波器吸收共振頻率功率就可以了。

 

不bu論lun哪na一yi操cao作zuo
，增zeng加jia增zeng益yi環huan還hai是shi濾lv除chu錯cuo誤wu信xin號hao

，都dou會hui對dui係xi統tong動dong態tai速su度du和he位wei置zhi誤wu差cha產chan生sheng不bu利li影ying響xiang。但dan是shi在zai很hen多duo應ying用yong中zhong，對dui於yu平ping滑hua安an靜jing的de操cao作zuo，轉zhuan軸zhou速su度du的de瞬shun時shi誤wu差cha並bing不bu重zhong要yao。

振動控製需要三種主要的處理模塊：快速傅裏葉變換(FFT)，從cong轉zhuan軸zhou位wei置zhi或huo者zhe繞rao組zu電dian流liu數shu據ju中zhong提ti取qu出chu頻pin譜pu，探tan測ce和he響xiang應ying模mo塊kuai，找zhao到dao頻pin譜pu最zui大da值zhi
，確que定ding怎zen樣yang處chu理li它ta們men

，還hai有you一yi個ge或huo者zhe更geng多duo的de可ke編bian程cheng陷xian波bo濾lv波bo器qi，去qu掉diao扭niu矩ju信xin號hao中zhong的de雜za波bo頻pin率lv(圖3) 。

圖3.扭矩控製器和Park反變換之間的可編程陷波濾波器能夠改進係統的共振。

 

這些模塊都適合應用。在某些係統中，共振是固定的，或者慢變的，FFT會是啟動或者後台任務。在共振變化很快的係統中，FFT需要連續運行。響應模塊與應用有很大的關係，確定對PI環(huan)路(lu)增(zeng)益(yi)的(de)調(tiao)整(zheng)，增(zeng)加(jia)濾(lv)波(bo)器(qi)，選(xuan)擇(ze)濾(lv)波(bo)器(qi)參(can)數(shu)等(deng)，在(zai)很(hen)大(da)程(cheng)度(du)上(shang)取(qu)決(jue)於(yu)整(zheng)個(ge)電(dian)機(ji)係(xi)統(tong)的(de)特(te)性(xing)。因(yin)此(ci)，在(zai)沒(mei)有(you)詳(xiang)細(xi)了(le)解(jie)係(xi)統(tong)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)

，不(bu)太(tai)可(ke)能(neng)估(gu)算(suan)振(zhen)動(dong)控(kong)製(zhi)所(suo)需(xu)要(yao)的(de)計(ji)算(suan)負(fu)載(zai)。

 

 

目前為止我們已經進行了很多工作，每一16 kHz周期可能有幾百項算術指令，還有FFT計算。我們所麵臨的是

，任務的增長已經超出了低成本MCU的簡單中斷服務。但還有更多。

 

最明顯的是增加了很多電機。很多控製任務本質上都是多軸的：例(li)如(ru)，粉(fen)碎(sui)機(ji)的(de)工(gong)具(ju)位(wei)置(zhi)，或(huo)者(zhe)全(quan)關(guan)節(jie)機(ji)器(qi)人(ren)手(shou)等(deng)。在(zai)集(ji)成(cheng)級(ji)，在(zai)軸(zhou)上(shang)需(xu)要(yao)共(gong)享(xiang)實(shi)時(shi)數(shu)據(ju)等(deng)，就(jiu)能(neng)夠(gou)體(ti)現(xian)多(duo)通(tong)道(dao)控(kong)製(zhi)器(qi)的(de)優(you)點(dian)。但(dan)是(shi)由(you)於(yu)軸(zhou)之(zhi)間(jian)有(you)很(hen)少(shao)的(de)冗(rong)餘(yu)計(ji)算(suan)，因(yin)此(ci)，更(geng)多(duo)的(de)通(tong)道(dao)隻(zhi)是(shi)增(zeng)加(jia)了(le)工(gong)作(zuo)負(fu)載(zai)。

 

還有采樣率。目前的采樣率從以前的搜索RMS位置或者速度誤差的16 kHz標準，增長到 100 kHz。自然的
，提高采樣間隔會減少完成實時計算的時間，必須在采樣間隔期間完成實時計算。

 

工廠之外的變化也對控製器體係結構帶來了壓力：zixitonglianwangle。yigezhuyaodezhuanhuandianshishejizhongzengjialegongyewangluojiekou。zhujiande
，xitongshejirenyuanxiwangtongguowangluofasongmingling，jianzhazhuangtai
，duqurizhishuju。wangluojiekoubujinzengjialebiyaodewulicenghejiezhifangwenyingjian，erqiehaiyouyibuzhixingdexieyizhan，yukongzhihuandetongbucaiyanghuodongshiyibude。xianzai，womenbujinyoujiandandezhongduanchufashishirenwu
，haiyoushijianxianzhideliangxiangrenwu，yigeshishide，yigemianxiangwangluode。zaizheyidian，hennanbucaiyongRTOS。

 

wangluofangwensuizhierlaideshirongyishoudaogongji。duilianwangkongzhixitongjinxinggongji，bulunshifouzhijielianjiehulianwang，douyoukenengshoudaoheikedegongji。meiyoujueduideanquan。xiangyingde，jishishikanqilaibutaizhongyaodedianjikongzhiqidezixitongjinhouyeyaoshoudaobaohu。zheyiweizhe
，tamenbixuyoubendirenzhengxiaoxi，yijijiamihejiemishuju。zhetongchangbiaomingxuyaojiamijiasuqi。

 

因此
，這就回答了我們最初的問題。我們看到PMSM控製器在增加
，更多的特性在軟件中實現
，從低成本MCU的簡單任務到某些任務所需要的硬件加速的大量計算。我們注意到需要 FFT、有限衝擊響應(IIR)濾波器
、網絡接口
，以及隨之而來的安全功能。非對稱多處理逐漸成為提供足夠計算能力並保持實時和後台任務相互隔離最好的方法。

 

計ji算suan環huan境jing已yi經jing從cong中zhong斷duan驅qu動dong的de裸luo金jin屬shu代dai碼ma擴kuo展zhan到dao複fu雜za環huan境jing工gong作zuo負fu載zai，這zhe具ju有you很hen多duo難nan以yi處chu理li的de實shi時shi任ren務wu，以yi及ji某mou些xie通tong信xin相xiang關guan的de背bei景jing任ren務wu，其qi中zhong的de一yi些xie會hui有you工gong業ye網wang絡luo時shi限xian要yao求qiu。這zhe麼me複fu雜za的de需xu求qiu需xu要yao采cai用yongRTOS。我們看到安全要求內核可信。不論是在FPGA中實現還是采用基於單元的技術實現，我們的小電機控製器都是一種很好的異構多核SoC。