利用一個ARM處理器對無刷電機實施磁場定向控制

電機驅(qū)動能效不論提高多少，都會節(jié)省大量的電能，這就是市場對先進的電機控制算法的興趣日濃的部分原因。三相無刷電機主要指是交流感應(yīng)異步電機和永磁同步電機。這些電機以能效高、可靠性高、維護成本低、產(chǎn)品成本低和靜音工作而著稱。感應(yīng)電機已在水泵或風(fēng)扇等工業(yè)應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用，并正在與永磁同步電機一起充斥家電、空調(diào)、汽車或伺服驅(qū)動器等市場。推動三相無刷電機發(fā)展的主要原因有：電子元器件的價格降低，實現(xiàn)復(fù)雜的控制策略以克服本身較差的動態(tài)性能成為可能。

以異步電機為例。簡單的設(shè)計需要給定子施加三個120°相移的正弦波電壓，這些繞組的排列方式能夠產(chǎn)生一種旋轉(zhuǎn)磁通量。利用變壓器效應(yīng)，這個磁通量在轉(zhuǎn)子籠內(nèi)感應(yīng)出一股電流，然后產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁通量。就是這兩種磁通量相互作用產(chǎn)生電磁力矩，使電機旋轉(zhuǎn)。在轉(zhuǎn)子上感應(yīng)出電流的條件是，確保轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與定子的磁通量頻率不同；如果相同，轉(zhuǎn)子只經(jīng)歷一個恒定的磁通量，不會有感應(yīng)電流產(chǎn)生（楞次定律）。通電頻率和其產(chǎn)生的機械頻率之間的微小差異是異步電機命名的原因。一個三相交流電機實現(xiàn)轉(zhuǎn)速可調(diào)操作的最簡單方式是，實現(xiàn)一個所謂的電壓/頻率控制（或者叫做標量控制），其工作原理是在頻率與電機通電電壓之間保持恒比。這種方法產(chǎn)生一個恒定的定子磁通量，然后在轉(zhuǎn)子主軸上得到額定的電機力矩。對于應(yīng)用負載特性被大家了解的低成本驅(qū)動器，以及控制帶寬要求不是很高的驅(qū)動器，如數(shù)量很少的HP泵和風(fēng)扇、洗衣機等，這是一個很受歡迎的控制方法。一個MIPS不是很高并帶有合理的外設(shè)接口的8位單片機如ST7MC，即可滿足這種應(yīng)用需求，同時編程也很簡單。

這種方法無法在瞬間工作過程中保證最佳的電機特性（力矩、能效）。而且為防止電機出現(xiàn)臨時消磁現(xiàn)象，還必須限制驅(qū)動器反作用力的時間。為了克服這些限制條件，考慮到電機的動態(tài)特性，市場上出現(xiàn)了其他的控制策略。磁場定向控制（也稱矢量控制）是應(yīng)用最廣泛的控制算法，目標應(yīng)用包括帶式傳輸機、大功率水泵、汽車廢氣排放、工廠自動化。這種方法允許用兩個去耦的控制變量（下文簡稱Id和Iq）控制一個交流電機，就像控制分開勵磁的直流電機一樣。勵磁電流Id產(chǎn)生直流主磁通量，而Iq則控制力矩，功能與直流電機中的電樞電流一樣。當負載發(fā)生變化時，磁場定向控制能夠?qū)D(zhuǎn)速進行精確的控制，響應(yīng)速度非?？?，甚至在瞬間操作過程中，通過使定子和轉(zhuǎn)子的磁通量保持正交，可以優(yōu)化電機能效。這種方法可實現(xiàn)位置控制方案（通過瞬間力矩控制），在低速運轉(zhuǎn)時釋放電機的全部力矩。

下面簡要介紹一下磁場定向控制的工作原理。把參考坐標系從固定的定子線圈換到運動的轉(zhuǎn)子磁通量坐標系，采用兩個著名的變換運算法則：Clarke變換和Park變換。Clarke變換是將120°相移三軸坐標系(Ia, Ib, Ic)轉(zhuǎn)換成兩軸直角坐標系(Ia, Ib)；Park變換是將固定的 (Ia, Ib)坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成與轉(zhuǎn)子相關(guān)的兩軸旋轉(zhuǎn)坐標系(Id, Iq)。最后這兩個數(shù)值是直流或者變化緩慢的數(shù)值，采用簡單的PI控制器方法可以調(diào)整這兩個數(shù)值。最后，利用逆變換(Park和Clarke逆變換)將其還原到固定的AC三相坐標系，如圖1所示。

圖1 磁場定向控制的工作原理

在各種矢量控制方法中，我們采用一個間接磁場定向控制方法，唯一測量和處理的電機模型參數(shù)是轉(zhuǎn)子時間常數(shù)Lr/Rr（在轉(zhuǎn)差估算器模塊內(nèi)）。如果電機是一個永磁同步電機，結(jié)構(gòu)框圖和相應(yīng)的功能將會非常相似，不再需要轉(zhuǎn)差估算器，磁通量命令可以設(shè)定為零(磁鐵自己產(chǎn)生磁通量)。算法只是這項工作的一部分：只要計算出電壓電平，就必須將其轉(zhuǎn)換成伏特和安培。像在任何一個現(xiàn)代功率電子系統(tǒng)一樣，這個電機控制系統(tǒng)由肌肉（功率轉(zhuǎn)換器）和大腦（單片機）組成。驅(qū)動功率轉(zhuǎn)換器（俗稱逆變器）是由三個PWM輸出驅(qū)動。從圖2中不難看出，一個功率強大的三路緩沖器將一個0-5V的邏輯信號，轉(zhuǎn)變成一個0-300V的方波信號，施加到電機端子上。電機的繞組電感起到一個低通濾波器的作用：去除載波頻率，平滑電流變化，形成一個正弦電流波形，即PWM調(diào)制的波形。

圖2 電機控制系統(tǒng)

讓我們從CPU開始逐個查看一個先進的電機驅(qū)動器系統(tǒng)的整體需求。整個矢量控制算法必須連續(xù)反復(fù)計算，計算速度在1~10 kHz之間（1ms一直到100μs閉環(huán)時間，視最終應(yīng)用的帶寬而定）。系統(tǒng)需要大量的數(shù)學(xué)計算（三角函數(shù)、PID調(diào)整器、實時磁通量和基于電機參數(shù)的力矩估算）。此外，必須給應(yīng)用的其余部分（通信、用戶界面等）的計算留有余地。為了不限制動態(tài)性能，主要控制變量需要最低16位的精度，中間結(jié)果需要32位計算能力。所有這些因素說明了矢量控制必須使用高速、高性能處理器的原因。市場現(xiàn)有產(chǎn)品包括16位或32位單片機、混合控制器或數(shù)字信號處理器，這些產(chǎn)品通常與先進的電機控制直接相關(guān)，如果你不是刻意追求速度最快的數(shù)字電流控制回路或最精確的曲線控制，一個基于ARM7處理器的解決方案剛好滿足磁通量定向控制的要求。除核心的性能外，若想最大限度減少外部組件，還需配備合理的外設(shè)接口。這樣設(shè)計可大大簡化設(shè)計過程，確保成本效益和可靠性（因為PCB設(shè)計被簡化）。

在信號生成方面，通用PWM通道是不適合的，必須使用電機控制專用PWM信號，因此必須采用三對同步互補PWM通道，含有死區(qū)時間插入功能，以防止半橋可能發(fā)生短路故障。為安全起見，當功率級出現(xiàn)故障/錯誤（過流、高溫）時，必須同時關(guān)閉這6路PWM通道。安全功能還配備一個專用的緊急故障輸入。定時器的時鐘頻率（典型值>50MHz）和PWM載波頻率的三角波形才是確保正弦波形的高精度和最佳的噪聲-開關(guān)損耗比的兩個因素，而非鋸齒波形。

模擬信號采集是MCU的另一個主要負荷，電機監(jiān)控必須控制兩類信號：緩慢變化的信號如DC總線電壓（含有100Hz波紋電壓成分）或電位器電壓；高動態(tài)的頻率范圍幾赫茲到數(shù)百赫茲的電機電流，其中含有PWM速率（典型值高于10 kHz）的波紋電流。因此，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的速度必須很快（低于5μs），以便在對電機相位進行順序采樣時，減少對不平穩(wěn)電流的測量，節(jié)省為等候模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果而在PWM中斷服務(wù)程序上消耗的時間。在轉(zhuǎn)換器精度方面，10位正在成為轉(zhuǎn)換器的標準。雖然8位轉(zhuǎn)換器對大多數(shù)應(yīng)用已經(jīng)夠用，但是電流范圍擴大的應(yīng)用需要10位以上的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，以便在各種負載條件下保證充足的分辨率。此外，控制精度與模數(shù)轉(zhuǎn)換器的質(zhì)量有直接的關(guān)系。

最后，我們還必須處理轉(zhuǎn)速和/或位置傳感器。遞增編碼器位置傳感器需要專用的信號調(diào)節(jié)功能，作為一個具有加減計數(shù)功能的外部時鐘，來處理兩個正交信號輸出。處理這個功能的是一個含有專用編碼器模式的定時器。

我們在STR730單片機上成功地實現(xiàn)了一個帶傳感器的磁場定向控制（基于轉(zhuǎn)速生成器）算法，該單片機基于ARM7TDMI處理器，工作頻率32MHz，內(nèi)嵌閃存。這個算法完全采用C語言開發(fā)，沒有進行任何刻意的代碼優(yōu)化。在實際算法中，完成整個控制回路用時55μs，在3kHz采樣速率下CPU負荷17％。當核心運行在60MHz時，預(yù)計執(zhí)行時間低于20μs。采用ARM7處理器實現(xiàn)的算法具有很多優(yōu)點。首先，ARM現(xiàn)已成為標準核心，其平臺方法和大量的開發(fā)工具是節(jié)省成本的關(guān)鍵所在；其次，假如下一代產(chǎn)品設(shè)計需要更高處理速度（MIPS），你可以直接升級到基于ARM9的產(chǎn)品。從架構(gòu)的角度看，桶形移位器很有趣，它允許在整個處理流程中優(yōu)化變量分辨率。你可以在一個時鐘周期內(nèi)改變格式以達到限制處理時間的目的，此外，它允許利用常數(shù)節(jié)省某些乘法運算，例如r0=(r1<<4) - r1相當于r0=15xr1，甚至速度更快。低成本的DSP有16位固點核心。當必須處理PI調(diào)整器的積分項或擴展所需的精度范圍時，ARM7的32位數(shù)據(jù)通道能夠避免多個16位負載。當進行電機控制信號處理時，DSP的其他重要功能沒有太大的用途，例如，硬件閉環(huán)和雙尋址模式。這些在某種程度上說明了人們?yōu)槭裁窗袮RM7處理器喻成如此優(yōu)化的架構(gòu)。

圖3所示是一個新的STR7產(chǎn)品，為ST的基于ARM7處理器的產(chǎn)品線開發(fā)，能夠滿足前文概述的系統(tǒng)需求。主要特性包括：
* SPTimer同步PWM定時器，執(zhí)行高端PWM信號生成功能，基于16位定時器，時間分辨率可降至16.6ns，實現(xiàn)最佳的電壓重建；
* 能夠產(chǎn)生居中或邊緣對齊的PWM圖形；
* 逆變器故障處理所需的內(nèi)部可編程死區(qū)時間信號生成器和緊急故障保護功能；
* 為簡化軟件處理任務(wù)，采用多個中斷源、一個可編程重載速率和“禁止吸煙”保護，以防止軟件因為失控而修改系統(tǒng)重要外設(shè)的配置寄存器。

圖3 新的STR7產(chǎn)品

這個SPTimer還可作為通用定時器，帶有兩個輸入捕獲引腳、兩個輸出比較引腳，以及可最大限度降低軟件開銷的編碼器專用模式。該模式具有x2或x4分辨率、方向自動管理，可以給所選編碼器的線數(shù)編程，因此可從計數(shù)寄存器直接讀取轉(zhuǎn)子角位信號。針對電流測量功能，新產(chǎn)品內(nèi)置一個具有自動掃描功能的3μs 10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。主要外設(shè)接口包括多個定時器、通信接口等?？紤]到單片機處理的非電機控制性任務(wù)，我們在電路板上設(shè)計了智能外設(shè)，像連接端子、功率因數(shù)校正、耗能制動等。

意法半導(dǎo)體集中全力開發(fā)電機控制市場，是世界僅有的幾家有能力提供完整的電機控制產(chǎn)品組合的供應(yīng)商之一，產(chǎn)品范圍從快速二極管到處理器，包括高壓柵驅(qū)動器和開關(guān)。為滿足更加節(jié)能的“綠色” 電機和高性能驅(qū)動器的需求，我們打造了一個以ARM為核心的完整產(chǎn)品線，幫助設(shè)計人員揭開向量控制算法的神秘面紗。這種控制方法很快就會把今天的主流的DSP式控制淘汰出局。推廣應(yīng)用一個新的控制方法：既然使用以ARM為核心的標準單片機就能滿足先進的電機控制需求，有誰還肯再花費時間在專有的架構(gòu)上實現(xiàn)先進的電機控制呢？