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标题: 利用完全可编程平台实现高效的马达控制 [打印本页]

作者: 520503 时间: 2013-11-29 23:27 标题: 利用完全可编程平台实现高效的马达控制

碳足迹、绿色能源和气候变化屡现新闻头条，引人瞩目。为保证我们的后代有一个洁净的生活环境，我们必须立即行动起来。为此，发达国家的政府以税费的方式来降低碳排放和能源使用。由于超过半数的电力用于驱动电动马达，因此设计人员不是应该而是必须采用更加高效的马达控制与设计。电动马达的作用就是把电能转换成为机械能，而效率则是指产生的机械能与所用的电能之比。马达的振动、发热、噪声和谐波属于各种形式的损耗，要实现高效率，就应减少这些能耗。那么有哪些设计技巧可供设计人员使用，以帮助他们实现高效率呢?本文将介绍综合运用磁场定向控制(FOC)算法和脉冲频率调制(PFM)严密地控制马达，实现高精度与高效率。FOC标量控制(或者常称的电压/频率控制)是一种简单的控制方法，通过改变供电电源(电压)和提供给定子的频率来改变马达的扭矩和转速。这种方法相当简单，甚至用8/16位微处理器也能完成设计。不过，简便的设计也伴随着最大的缺陷——缺乏稳健可靠的控制。如果负载在高转速下保持恒定，这种控制方法倒是足够。但一旦负载发生变化，系统就不能快速响应，从而导致能量损失。相比而言，FOC能够提供严格的马达控制。这种方法旨在让定子电流和磁场保持正交状态(即成90度角)，以实现最大扭矩。由于系统获得的磁场相关信息是恒定的(不论是从编码器获得，还是在无传感器工作状态下的估算)，它可以精确地控制定子电流，以实现最大机械扭矩。一般来说FOC比较复杂，需要32位处理器和硬件加速功能。原因在于这种方法需要几个计算密集型模块，比如克拉克变换、帕克变换等，用于完成三维或二维坐标系间的相互转换，以抽取电流相对磁通的关系信息。如图1所示，控制马达所需考虑的输入包括目标扭矩指令、供电电流和转子角。根据这些参数完成转换和计算，计算出电力电子的新驱动值。完成一个周期的FOC所需的时间被称为环路时间。不出所料，环路时间越短，系统的响应速度就越快。响应速度快的系统意味着马达能够迅速针对负载做出调整，在更短的时间周期内完成误差补偿，从而实现更加顺畅的马达运行和更高的效率。图1：磁场定向控制可以严密地控制马达扭矩，提高效率。环路时间越短，系统响应速度越快。一般采用嵌入式处理器实现FOC算法，环路时间介于50us到100us之间，具体取决于模型和可用的硬件。此外，还可采用软件来实现FOC，但无法保证其确定性。因此大量设计借助FPGA硬件加速，来发挥这种技术的确定性和高速处理优势。使用最先进的28nm FPGA技术，典型FOC电流环路时间为1.6us1，相对采用软件方法明显缩短。由于加强马达控制不仅可降低噪声，而且还能提升效率和精度，因此目前大部分电流环路都采用硬件来实现，而且倾向于把速度环路和位置环路也迁移到硬件实现方案中。这种做法是可能的，因为随着数字电子电路技术的进步，单个器件拥有足够强大的运算能力。用FPGA实现的速度控制环路时间和位置控制环路时间分别为3.6us1和18us1。与传统软件方法相比这是显著的性能提升，因为传统的位置环路时间一般在毫秒级。调制调制也是提高能效的关键模块。根据负载、性能要求和应用需求可以使用不同的调制方案，而且这些调制方案对马达控制系统的运行影响重大。调制原理图(图2)分析了我们准备在本文中评论的几种调制方案。最基本的调制方案采用六步进调制法，这代表三相功率桥的6种可能组合(不含111和000空状态，该状态下所有开关均关断)。这种开关方法表示为六边形的6个蓝色顶点。六步进调制法对马达施加最大功率，即逆变器的输出电压与Vdc相等。虽然输出功率大，设计实现方案简便，但如果马达要求高精度和高稳健性，则不宜采用六步进调制法。这是因为马达运行在非线性状态下，需要从一种状态(顶点)“跳跃”到另一种状态，不能平稳运行。要让马达更平稳运行，可以使用正弦调制法。正弦调制法能够让马达平稳运行吗，虽然与六步进调制法相比这种方法略显复杂，而且在效率上也没有优势，因为逆变器的输出仅为Vdc的一半，基本上是Vdc/2=0.5Vdc。在调制原理图上，这表示为红圈的内圈。图2: 调制原理图为弥补正弦调制造成的损耗，空间矢量PWM(SVPWM)调制法运营而生。SVPWM可以提供1/√3 Vdc=0.5773 Vdc的电压。与正弦调制类似，SVPWM也能让马达平稳运行。在调制原理图上，这表示为红圈的外圈。图3是正弦调制法和SVPWM调制法的波形对比。图3：正弦调制法和SVPWM调制法的波形对比正弦调制法和空间矢量调制法均使用脉冲宽度调制(PWM)技术，一种最为常见的工业调制技术。但是脉冲宽度调制使用固定的调制频率，通过改变脉冲宽度来调节对供电电压的控制，故谐波的出现是个问题。谐波是EMI、马达振动的原因，也是一种能量损耗。为抑制谐波，可以使用另一种调制方法，即使用脉冲频率调制(PFM)。脉冲频率调制可让少量脉冲保持固定宽度，并根据所需的值按不同周期(频率)进行调制。这种调制方法可以减少谐波，因谐波会分散到所有频率上。

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