基于采用無傳感器磁場定向控制（FOC）的永磁同步電機（PMSM）的高級電機控制系統(tǒng)快速普及,，這種現(xiàn)象的背后有兩個主要驅(qū)動因素：提高能效和加強產(chǎn)品的差異化,。雖然有證據(jù)表明采用無傳感器FOC的PMSM可以實現(xiàn)這兩個目標，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。利用整體的生態(tài)系統(tǒng),，設(shè)計人員能夠克服實現(xiàn)過程中阻礙系統(tǒng)采用的各種挑戰(zhàn)。

　　為什么選擇PMSM,？

　　PMSM電機是一種使用電子換向的無刷電機,。它經(jīng)常與無刷直流電機（BLDC）混淆，后者是無刷電機系列的另一個成員,，也使用電子換向,，但在結(jié)構(gòu)上略有不同。PMSM的結(jié)構(gòu)可針對FOC進行優(yōu)化,，而BLDC電機經(jīng)過優(yōu)化后可使用6步換向技術(shù),。經(jīng)過優(yōu)化后，PMSM可獲得正弦波反電動勢（Back-EMF）,，而BLDC電機則獲得梯形波反電動勢,。

　　這些電機各自使用的轉(zhuǎn)子位置傳感器也不同。PMSM通常使用一個位置編碼器進行操作,，而BLDC電機則使用三個霍爾傳感器進行操作,。如果考慮到成本，設(shè)計人員可以考慮實施無傳感器技術(shù),，以省去磁體,、傳感器、連接器和接線的成本,。去除傳感器還有助于提高可靠性,，因為這會減少系統(tǒng)中可能發(fā)生故障的元件數(shù)量。當比較無傳感器PMSM和無傳感器BLDC時,，使用FOC算法的無傳感器PMSM可提供更出色的性能,，而使用類似硬件設(shè)計的實現(xiàn)成本相當。

　　轉(zhuǎn)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)電機（ACIM）的應(yīng)用,。切換的主要好處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)人員需要實現(xiàn)更復雜的FOC控制技術(shù)以及其他應(yīng)用特定算法，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。

　　實現(xiàn)中的挑戰(zhàn)

　　圖1：使用三相電壓源逆變器的三相無傳感器PMSM控制系統(tǒng)

　　但是,，要實現(xiàn)使用PMSM的優(yōu)勢,，需要了解實現(xiàn)高級FOC電機控制技術(shù)時固有的硬件復雜性，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的三相無傳感器PMSM控制系統(tǒng),。控制逆變器需要三對相互關(guān)聯(lián)的高分辨率PWM信號,，以及大量需要信號調(diào)理的模擬反饋信號,。此系統(tǒng)還需要硬件保護功能來實現(xiàn)容錯，同時利用高速模擬比較器實現(xiàn)了快速響應(yīng),。實現(xiàn)傳感,、控制和保護所需的這些額外模擬元件增加了解決方案的成本，而典型的BDC電機設(shè)計或簡單的ACIM每赫茲電壓（V/F）控制并不需要這些元件,。

　　此外,，還有為PMSM電機控制應(yīng)用定義元件規(guī)格和進行驗證所需的開發(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單片機,，以實現(xiàn)與專為PMSM電機控制量身定制的器件規(guī)格的高度模擬集成。這將會減少所需的外部元件數(shù)量并優(yōu)化物料清單（BOM）,。高度集成的電機控制器件現(xiàn)已具有高分辨率PWM,，可簡化高級控制算法、用于精密測量和信號調(diào)理的高速模擬外設(shè),、功能安全所需的硬件外設(shè),，以及用于通信和調(diào)試的串行接口的實現(xiàn)。

　　圖2：標準無傳感器FOC的框圖

　　此外,，還有一個較大的挑戰(zhàn)，即電機控制軟件與電機的電機械行為之間的交互,。圖2給出了標準的無傳感器FOC框圖,。要將其從概念轉(zhuǎn)變?yōu)閷嶋H的設(shè)計,，需要了解控制器架構(gòu)和數(shù)字信號處理器（DSP）指令，以實現(xiàn)數(shù)學計算密集的時間關(guān)鍵控制環(huán),。

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

　　1） 限制：使用不低于20 kHz的PWM開關(guān)頻率（時長為50 μs）,，以抑制來自逆變器開關(guān)的噪聲。

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

　　3） 為支持其他后臺任務(wù)（如系統(tǒng)監(jiān)視、應(yīng)用特定功能和通信）,，控制環(huán)需要以更快的速度運行,。因此，F(xiàn)OC算法的目標應(yīng)該是在10 μs以內(nèi)執(zhí)行,。

　　許多制造商提供了利用無傳感器估算器來估算轉(zhuǎn)子位置的FOC軟件示例,。但是，在使電機開始轉(zhuǎn)動之前,，F(xiàn)OC算法必須配置各種參數(shù)以匹配電機和硬件,。必須對控制參數(shù)和系數(shù)進行進一步優(yōu)化，以滿足所需的速度和效率目標,?？梢酝ㄟ^結(jié)合以下方法實現(xiàn)這一目標：1） 使用電機數(shù)據(jù)手冊獲得參數(shù)；2） 反復進行試驗,。電機數(shù)據(jù)手冊并不能始終對電機參數(shù)進行準確的表征,，或者設(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試驗的方法,。這種手動調(diào)整的過程需要時間和經(jīng)驗。

　　PMSM電機用于許多不同的應(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,，在汽車散熱器風扇中,，當電機即將啟動時，由于風的作用,，風扇葉片有可能向相反的方向自由旋轉(zhuǎn),。在這種情況下，啟動采用無傳感器算法的PMSM電機是一個挑戰(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,，并利用這些信息在啟動電機前通過主動制動將電機減速至靜止狀態(tài)。同樣,，還可能有必要實施附加算法,，如每安培最大轉(zhuǎn)矩（MTPA）、轉(zhuǎn)矩補償和磁場弱化[1]等,。這些類型的應(yīng)用特定附加算法對于開發(fā)實用解決方案必不可少,，但它們也會延長開發(fā)時間并使軟件驗證復雜化，進而增加設(shè)計復雜程度,。

　　圖3：FOC的應(yīng)用框架

　　降低復雜程度的一種解決方案是,，設(shè)計人員創(chuàng)建一個模塊化軟件架構(gòu)，這種架構(gòu)可將應(yīng)用特定算法添加到FOC算法中,，同時不影響時間關(guān)鍵型執(zhí)行,。圖3給出了典型的實時電機控制應(yīng)用程序的軟件架構(gòu)。此框架的核心是FOC函數(shù),，該函數(shù)提供了硬時序約束和許多應(yīng)用特定的附加功能,。框架內(nèi)的狀態(tài)機將這些控制功能與主應(yīng)用程序連接起來,。這種架構(gòu)需要在軟件函數(shù)塊之間有一個定義明確的接口,，以使其實現(xiàn)模塊化并簡化代碼維護工作。模塊化框架支持不同應(yīng)用特定算法與其他系統(tǒng)監(jiān)視,、保護和功能安全程序的集成,。

　　模塊化架構(gòu)的另一個好處是將外設(shè)接口層（或硬件抽象層）從電機控制軟件中分離出來，這便于設(shè)計人員在應(yīng)用功能和性能需求發(fā)生變化時,，將其IP從一個電機控制器無縫遷移到另一個電機控制器,。

　　完整生態(tài)系統(tǒng)的需求

　　應(yīng)對這些挑戰(zhàn)需要一個為無傳感器FOC量身打造的電機控制生態(tài)系統(tǒng)。電機控制器,、硬件,、軟件和開發(fā)環(huán)境應(yīng)協(xié)同工作，以簡化實現(xiàn)高級電機控制算法的過程,。  為實現(xiàn)這一目標,，此生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)具有以下特性：

　　1.一種用于自動執(zhí)行電機參數(shù)測量、設(shè)計控制環(huán)和生成源代碼的高級工具,，可讓沒有領(lǐng)域?qū)I(yè)知識的設(shè)計人員能夠?qū)崿F(xiàn)FOC電機控制,，并編寫和調(diào)試非常耗時的復雜時間關(guān)鍵型代碼

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

　　3.具有確定性響應(yīng)的電機控制器以及可在單芯片中實現(xiàn)信號調(diào)理和系統(tǒng)保護的集成模擬外設(shè),，用于降低解決方案總成本

　　圖4：Microchip電機控制生態(tài)系統(tǒng)架構(gòu)

　　圖4給出了一個電機控制生態(tài)系統(tǒng)架構(gòu)的示例,，其中包括應(yīng)用框架和一個用于高性能dsPIC33電機控制數(shù)字信號控制器（DSC）的開發(fā)套件。此開發(fā)套件在基于GUI的FOC軟件開發(fā)工具的基礎(chǔ)上構(gòu)建,，可以測量關(guān)鍵的電機參數(shù)并自動調(diào)整反饋控制增益,。此外,，它還可為利用電機控制應(yīng)用框架（MCAF）在開發(fā)環(huán)境中創(chuàng)建的項目生成所需的源代碼。解決方案協(xié)議棧的核心是電機控制庫,，這種庫可以實現(xiàn)應(yīng)用程序的時間關(guān)鍵型控制環(huán)功能，并與dsPIC33 DSC的電機控制外設(shè)交互,。此GUI可與多個可用的電機控制開發(fā)板配合使用,，支持電機參數(shù)提取并為各種低壓和高壓電機生成FOC代碼。

　　對高能效和產(chǎn)品差異化的需求推動了向無刷電機的轉(zhuǎn)變,。全面的電機控制生態(tài)系統(tǒng)可提供一種整體方法來簡化基于PMSM的無傳感器FOC的實現(xiàn),，這種方法應(yīng)包含專用的電機控制器、快速原型開發(fā)板和可自動生成代碼的易用FOC開發(fā)軟件,。

　　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電機（表面貼裝和內(nèi)置）的無傳感器磁場定向控制

　　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/motorbe…

　　[3] 電機控制設(shè)計資源

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

　　[4] 電機控制庫

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