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实现朝向先进马达控制的趋势转变
高能效马达的无感测器磁场导向控制(FOC)
[作者 Nelson Alexander]   2021年07月16日 星期五 浏览人次: [10661]

基於无感测器磁场导向控制(FOC)永磁同步马达(PMSM)的先进马达控制系统的快速普及,这种现象的背後有两个主要驱动因素:为提高能效及加强产品的差异化。虽然有证据显示采用无感测器FOC的PMSM可以实现这两个目标,但需要一个可提供整体实现方法的设计生态系统才能取得成功。有了整体的生态系统,设计人员才能够克服在系统设计过程中的各种挑战。


为什麽选择PMSM?

PMSM马达是一种使用电子整流的无刷马达。它经常与无刷直流马达(BLDC)混淆,後者是无刷马达系列的另一个成员,也使用电子整流,但在结构上略有不同。PMSM的结构可针对FOC进行优化,而BLDC马达经过优化後可使用6步整流技术。经过优化後的PMSM可获得正弦波反电动势(Back-EMF),而BLDC马达则获得梯形波反电动势。


这些马达各自使用的转子位置感测器也不同。PMSM通常使用一个位置编码器进行操作,而BLDC马达则使用三个霍尔感测器(Hall sensors)进行操作。如果考虑到成本,设计人员可以考虑实施无感测器技术,以省去磁体、感测器、连接器和接线的成本。去除了感测器还有助於提高可靠性,因为这可以减少系统中可能故障元件的数量。当比较无感测器PMSM和无感测器BLDC时,使用FOC演算法的无感测器PMSM可在使用类似硬体设计以及接近成本下提供更出色的性能。


转移使用PMSM的最大受益者是那些目前正在使用有刷直流(BDC)或交流感应马达(ACIM)的应用。主要优点包括具有更低的功耗、更高的速度、更平稳的转矩、更低的可闻噪音、更长的使用寿命和更小巧的尺寸,从而使应用更具竞争力。但是,要想实现使用PMSM的这些好处,开发人员必须采用更复杂的FOC控制技术以及其他应用特定演算法,才能满足系统需求。虽然PMSM比BDC或ACIM的成本更加昂贵,但它具有更多优势。


实作上的挑战

但是,要实现使用PMSM的优势,必须了解实现先进FOC马达控制技术时固有的硬体复杂性,同时还需要掌握这一领域的专业知识。图1给出了使用三相电压源逆变器(inverter)的三相无感测器PMSM控制系统。控制逆变器需要三对相互关联的高解析度PWM讯号,以及大量需要讯号调整的类比回??讯号。此系统还需要硬体保护功能来实现容错,同时利用高速类比比较器实现快速回应。这些实现感测、控制和保护所需的额外类比元件增加了解决方案的成本,而典型的BDC马达设计或简单的ACIM每赫兹电压(V/F)控制并不需要这些元件。



图1 : 使用三相电压源逆变器的三相无感测器PMSM控制系统
图1 : 使用三相电压源逆变器的三相无感测器PMSM控制系统

此外,还有为PMSM马达控制应用定义元件规格和进行验证所需的开发时间。 要应对这些挑战,设计人员可以选择一款合适的微控制器,以实现与专为PMSM马达控制客制化元件规格的高度类比整合。这将会减少所需的外部元件数量并优化物料清单(BOM)。高度整合的马达控制元件现已具有高解析度PWM,可简化先进控制演算法、用於精密测量和讯号调整的高速类比周边、功能安全所需的硬体周逼,以及用於通讯和除错的序列介面的实现。


此外,还有一个较大的挑战,即马达控制软体与马达机电行为之间的互动。图2显示出标准的无感测器FOC方块图。要将其从概念转变为实际的设计,必须了解控制器架构和数位讯号处理器(DSP)指令,以实现需要快速大量计算的控制环。



图2 : 标准无感测器FOC的方块图
图2 : 标准无感测器FOC的方块图

为实现可靠的效能,控制环必须在一个PWM周期内执行。必须对控制环的时间进行优化,具体包括以下三个原因:


1. 限制:使用不低於20 kHz的PWM交换频率(时长为50 μs),以抑制来自逆变器切换的杂讯。


2.为实现频宽更高的控制系统,控制环必须在一个PWM周期内执行。


3.为支援其他幕後所需的工作(如系统监视、应用特定功能和通讯),控制环必须以更快的速度运行。因此,FOC演算法的目标应该是在10 μs以内执行完成。


许多制造商提供了FOC示范软体是利用无感测器估算器来估算转子位置。但是,在使马达开始转动之前,FOC演算法必须配置各种叁数以匹配马达和硬体。必须对控制叁数和系数进行进一步优化,以满足所需的速度和效率目标。这时可以结合以下方法实现这一目标:1) 使用马达资料表获得叁数;2) 反复进行试验。马达资料表并不能始终提供准确的马达叁数,或设计人员无法获得高精度测量设备,在这种情况下,开发人员将不得不借助反复试验的方法。这种手动调整的过程需要时间和经验。


PMSM马达用於许多不同的应用,运行在不同的环境中,或者存在不同的设计限制。例如,在汽车散热器风扇中,当马达即将启动时,由於风的作用,风扇叶片有可能向相反的方向自由旋转。


在这种情况下,启动采用无感测器演算法的PMSM马达是一个挑战,而且有可能损坏逆变器。一种解决方案是检测旋转方向和转子位置,并利用这些资讯在启动马达前主动煞住马达令其减速至静止状态。同样,还可能有必要实施附加演算法,如每安培最大转矩(MTPA)、转矩补偿和磁场弱化等。这些类型的应用特定附加演算法对於开发实用解决方案必不可少,但它们也会延长开发时间并使软体验证复杂化,进而增加设计复杂程度。


降低复杂程度的一种解决方案是,设计人员创建一个模组化软体架构,这种架构可将应用特定演算法添加到FOC演算法中,同时不影响时效要求。图3显示出典型的即时马达控制应用程式的软体架构。此框架的核心是FOC函数,该函数提供了严格的时脉要求和许多应用特定的附加功能。框架内的状态机将这些控制功能与主应用程式连接起来。这种架构在软体函数块之间必须要有一个定义明确的介面,以使其实现模组化并简化程式维护工作。模组化框架支援不同应用特定演算法与其他系统监视、保护和功能安全程式的整合。



图3 : FOC的应用框架
图3 : FOC的应用框架

模组化架构的另一个好处是将周边介面层(或硬体抽象层)从马达控制软体中分离出来,这便於设计人员在应用功能和效能需求发生变化时,将其IP从一个马达控制器无缝迁移到另一个马达控制器。


完整生态系统的需求

应对这些挑战需要一个为无感测器FOC量身打造的马达控制生态系统。马达控制器、硬体、软体和开发环境应协同工作,以简化实现先进马达控制演算法的过程。 为实现这一目标,此生态系统应具有以下特性:


1.一种用於自动执行马达叁数测量、设计控制环和产生原始程式码的先进工具,可让没有这方面专业领域知识的设计人员能够实现FOC马达控制,可减少撰写复杂程式码的时程和缩短非常耗时的除错及验证程序。


2.适用於FOC和不同应用特定附加演算法的应用框架,用於缩短开发和测试时间


3.具有确定性回应的马达控制器以及可在单晶片中实现讯号调整和系统保护的整合类比周边,用於降低解决方案总成本


图4显示出一个马达控制生态系统架构的范例,其中包括应用框架和一个用於高效能dsPIC33马达控制数位讯号控制器(DSC)的开发套件。此开发套件在基於GUI的FOC软体发展工具的基础上构建,可以测量关键的马达叁数并自动调整回??控制增益。



图4 : Microchip马达控制生态系统架构
图4 : Microchip马达控制生态系统架构

此外,它还可为利用马达控制应用框架(MCAF)在开发环境中创建的专案生成所需的原始程式码。解决方案协议堆叠的核心是马达控制库,这种库可以实现应用程式的时效型控制环功能,并与dsPIC33 DSC的马达控制周边互动。此GUI可与多个可用的马达控制开发板配合使用,支援马达叁数提取并为各种低压和高压马达产生FOC程式码。


对高能效和产品差异化的需求推动了朝向无刷马达的转变。全面的马达控制生态系统可提供一种整体方法来简化基於PMSM的无感测器FOC的实现,这种方法应包含专用的马达控制器、快速原型开发板和可自动产生程式码的易用FOC开发软体。


(本文作者Nelson Alexander为Microchip资深行销工程师)


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