如何实现向高级电机控制的转变

基于采用无传感器磁场定向控制(FOC)的永磁同步电机(PMSM)的高级电机控制系统快速普及,这种现象的背后有两个主要驱动因素:提高能效和加强产品的差异化。虽然有证据表明采用无传感器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。利用整体的生态系统,设计人员能够克服实现过程中阻碍系统采用的各种挑战。

为什么选择PMSM

PMSM电机是一种使用电子换向的无刷电机。它经常与无刷直流电机(BLDC)混淆,后者是无刷电机系列的另一个成员,也使用电子换向,但在结构上略有不同。PMSM的结构可针对FOC进行优化,而BLDC电机经过优化后可使用6步换向技术。经过优化后,PMSM可获得正弦波反电动势(Back-EMF),而BLDC电机则获得梯形波反电动势。

这些电机各自使用的转子位置传感器也不同。PMSM通常使用一个位置编码器进行操作,而BLDC电机则使用三个霍尔传感器进行操作。如果考虑到成本,设计人员可以考虑实施无传感器技术,以省去磁体、传感器、连接器和接线的成本。去除传感器还有助于提高可靠性,因为这会减少系统中可能发生故障的元件数量。当比较无传感器PMSM和无传感器BLDC时,使用FOC算法的无传感器PMSM可提供更出色的性能,而使用类似硬件设计的实现成本相当。

转用PMSM的最大受益者是那些目前正在使用有刷直流(BDC)或交流感应电机(ACIM)的应用。切换的主要好处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,开发人员需要实现更复杂的FOC控制技术以及其他应用特定算法,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。

实现中的挑战

如何实现向高级电机控制的转变

图1:使用三相电压源逆变器的三相无传感器PMSM控制系统

但是,要实现使用PMSM的优势,需要了解实现高级FOC电机控制技术时固有的硬件复杂性,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的三相无传感器PMSM控制系统。控制逆变器需要三对相互关联的高分辨率PWM信号,以及大量需要信号调理的模拟反馈信号。此系统还需要硬件保护功能来实现容错,同时利用高速模拟比较器实现了快速响应。实现传感、控制和保护所需的这些额外模拟元件增加了解决方案的成本,而典型的BDC电机设计或简单的ACIM每赫兹电压(V/F)控制并不需要这些元件。

此外,还有为PMSM电机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单片机,以实现与专为PMSM电机控制量身定制的器件规格的高度模拟集成。这将会减少所需的外部元件数量并优化物料清单(BOM)。高度集成的电机控制器件现已具有高分辨率PWM,可简化高级控制算法、用于精密测量和信号调理的高速模拟外设、功能安全所需的硬件外设,以及用于通信和调试的串行接口的实现。

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图2:标准无传感器FOC的框图

此外,还有一个较大的挑战,即电机控制软件与电机的电机械行为之间的交互。图2给出了标准的无传感器FOC框图。要将其从概念转变为实际的设计,需要了解控制器架构和数字信号处理器(DSP)指令,以实现数学计算密集的时间关键控制环。

为实现可靠的性能,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:使用不低于20 kHz的PWM开关频率(时长为50 μs),以抑制来自逆变器开关的噪声。

2) 为实现带宽更高的控制系统,控制环必须在一个PWM周期内执行。

3) 为支持其他后台任务(如系统监视、应用特定功能和通信),控制环需要以更快的速度运行。因此,FOC算法的目标应该是在10 μs以内执行。

许多制造商提供了利用无传感器估算器来估算转子位置的FOC软件示例。但是,在使电机开始转动之前,FOC算法必须配置各种参数以匹配电机和硬件。必须对控制参数和系数进行进一步优化,以满足所需的速度和效率目标。可以通过结合以下方法实现这一目标:1) 使用电机数据手册获得参数;2) 反复进行试验。电机数据手册并不能始终对电机参数进行准确的表征,或者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电机用于许多不同的应用,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,当电机即将启动时,由于风的作用,风扇叶片有可能向相反的方向自由旋转。在这种情况下,启动采用无传感器算法的PMSM电机是一个挑战,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,并利用这些信息在启动电机前通过主动制动将电机减速至静止状态。同样,还可能有必要实施附加算法,如每安培最大转矩(MTPA)、转矩补偿和磁场弱化[1]等。这些类型的应用特定附加算法对于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件验证复杂化,进而增加设计复杂程度。

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