专家精讲:计算体系结构的三种电机控制
品慧电子讯怎样才能把多个CPU内核、硬件加速器块以及10G以太网接口结合起来控制一个电机呢?对于采用1美元微控制器 (MCU) 来运行电机的设计人员而言,这一问题太荒谬了。答案可能来自令人感兴趣的控制系统设计案例,实时系统体系结构的发展等。
起点让我们介绍一种在我们应用场景中处于中心位置的永磁同步电机,即PMSM。PMSM有很多种外形和体积,适合很多种应用,从开关门到机器人手术工具关节等。在这一领域中,它得到了广泛的应用,这是因为其固有的可靠性、低成本,在我们的应用中,经过适当的控制,可以实现高精度和高效率。实际上,应用的要求越来越高,PMSM支持您降低机电设计的复杂性,在软件中实现复杂的功能。PMSM机械和电气特性非常简单(图1) 。转子正如其名称所示,是永磁体。通常有三个定子绕组,在电机中均匀的120度角分布。真正的诀窍在于绕组的不同:转动密度是围绕定子呈正弦分布,因此,绕组实际上在边缘上相互重叠。在绕组合适的相位上应用正弦电流,您能够建立与转子场角度垂直的旋转磁场,从而在转子上高效的产生扭矩。


第一,我们采集来自转轴编码器的转子位置采样,以及三个绕组中两个绕组的电流采样。
由于一些很好的数学算法,我们并不需要所有三个绕组电流。这些采样告诉我们转子以及定子旋转磁场的瞬时位置和滞后速度。我们的工作是控制转子的速度和位置,这通过控制定子绕组的电流大小来实现,同时还要让旋转磁场比转子磁场超前90度。通过两个简单的变换,我们很容易完成这一工作。Clarke变换将两个定子绕组的电流采样 — 它们分开120度,映射到一对正交矢量上。矢量的方向相对于定子是固定的,当然,其矢量和是旋转磁场矢量。Clarke变换只需要将电流值乘以常数,加上乘积——简单的乘累加运算。第二种变换是Park变换,将这两个正交矢量映射到转子参考的旋转帧中。
一个矢量与转子磁场对齐,另一个正交矢量,角度与其垂直。Park变换比较难处理。在进行矢量乘法把矢量变换成转子参考帧之前,它使用瞬时转轴位置来计算sin(θ)和cos(θ)系数。现在,我们可以控制信号。我们把与转子对齐的矢量保持为0,表示定子磁通量没有对转子产生扭矩。我们使用正交分量来控制转子位置和速度,定子磁通量实际上产生了扭矩。例如,控制器会处理所需位置的输入,将其与传统分立时间比例积分(PI) 控制电流的实际转轴角度相对比,产生误差信号,输出至 FOC 模块。FOC 模块然后会把这一误差信号送入正交扭矩信号中,使转子旋转。模块会应用 Park 反变换,把扭矩映射回定子参考的固定帧,然后,通过Clarke反 变换,把扭矩信号映射到电流中,送入三个绕组。这样就改变了定子绕组所需位置和所需速度输入激励信号,旋转定子磁场,使转子处于所需的角度上。计算负载并没有那么复杂:FOC模块每一采样间隔可能是两次三角运算,10次乘法,7次加法,以及一些其他运算来实现PI控制器。所有这些算法都可以在定点中实现,需要仔细一些。采用目前的典型16 kHz采样和脉冲宽度调制速率,我们并没有降低现代32位MCU的整体性能。但是,不止于此。无传感控制让我们从那个转轴编码器开始。FOC算法必须有精确的转轴角度反馈。传统上,这一数据来自转轴编码器与电机转轴连接的光机电设备。但是,编码器提高了系统中每一电机的成本、体积、重量,增加了新的失效模式。它需要控制器工业标准接口。原理上,有足够的定子绕组电压和电流信息来确定转子位置。这样,可以实现无传感工作 — 至少可以不采用转轴编码器,采用更多的电流传感器和三个电压传感器来替代它,所有这些信号都需要精确的模数转换。这样,很多复杂的机械功能可以在软件中实现。就是这种想法。绕组负载上的电压有两个主要分量:绕组串联电阻导致的IR压降,来自绕组电感的后向EMF。但是,后向EMF本身有两个来源:绕组自身的电感,以及转子通过绕组磁力线导致的漏磁通量。如果您能够隔离电压变化的最后部分,基本上就能够计算出转子角度。实际上,这样做涉及到一些计算,包括Park变换,积分评估,以及每一采样间隔期间的反三角函数运算。然而,除了实验室环境,您不太可能获得电机特性的精确数据,例如,绕组阻抗和电感等。不同的电机有不同的这类指标,而且这些指标还对温度和老化等其他参数非常敏感。由此,开发人员建议了各种方案从状态变量矩阵中提取出转子角度。这些想法包括锁定由转子导致的电压波纹的锁相环,计算转子位置的状态估算器,将其结果与以前的数据进行对比,还有最终的估算器,Kalman滤波器。与直接计算相比,这些方法至少让计算负载增加了一倍,每一周期至少需要30次算术运算。振动控制FOC的优点之一是能够控制振动及其伴随噪声。这类测量提高了能效和机械可靠性,有可能不需要太多的机械设计。在消费类市场上,这能够把600美元的洗衣机抬高到售价800 美元的豪华型。原理还是那么简单。如果振动的原因是控制环不稳定造成的,那么您可以改变 PI 控制器的增益,使其更接近临界阻尼。如果振动是由电机、驱动转轴或者负载机械共振造成的,您可以通过吸收扭矩信号共振频率功率来消除振动。比较方便的是,FOC方法使您能够在扭矩信号变成三路时变正弦信号之前访问它,因此,增加陷波滤波器吸收共振频率功率就可以了。不论哪一操作,增加增益环还是滤除错误信号,都会对系统动态速度和位置误差产生不利影响。但是在很多应用中,对于平滑安静的操作,转轴速度的瞬时误差并不重要。<上一页123下一页>
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振动控制需要三种主要的处理模块:快速傅里叶变换(FFT),从转轴位置或者绕组电流数据中提取出频谱,探测和响应模块,找到频谱最大值,确定怎样处理它们,还有一个或者更多的可编程陷波滤波器,去掉扭矩信号中的杂波频率(图3) 。

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