基於(yu) 采用無傳(chuan) 感器磁場定向控製（FOC）的永磁同步電機（PMSM）的高級電機控製係統快速普及，這種現象的背後有兩(liang) 個(ge) 主要驅動因素：提高能效和加強產(chan) 品的差異化。雖然有證據表明采用無傳(chuan) 感器FOC的PMSM可以實現這兩(liang) 個(ge) 目標，但需要一個(ge) 可提供整體(ti) 實現方法的設計生態係統才能取得成功。利用整體(ti) 的生態係統，設計人員能夠克服實現過程中阻礙係統采用的各種挑戰。

為(wei) 什麽(me) 選擇PMSM？

PMSM電機是一種使用電子換向的無刷電機。它經常與(yu) 無刷直流電機（BLDC）混淆，後者是無刷電機係列的另一個(ge) 成員，也使用電子換向，但在結構上略有不同。PMSM的結構可針對FOC進行優(you) 化，而BLDC電機經過優(you) 化後可使用6步換向技術。經過優(you) 化後，PMSM可獲得正弦波反電動勢（Back-EMF），而BLDC電機則獲得梯形波反電動勢。

這些電機各自使用的轉子位置傳(chuan) 感器也不同。PMSM通常使用一個(ge) 位置編碼器進行操作，而BLDC電機則使用三個(ge) 霍爾傳(chuan) 感器進行操作。如果考慮到成本，設計人員可以考慮實施無傳(chuan) 感器技術，以省去磁體(ti) 、傳(chuan) 感器、連接器和接線的成本。去除傳(chuan) 感器還有助於(yu) 提高可靠性，因為(wei) 這會(hui) 減少係統中可能發生故障的元件數量。當比較無傳(chuan) 感器PMSM和無傳(chuan) 感器BLDC時，使用FOC算法的無傳(chuan) 感器PMSM可提供更出色的性能，而使用類似硬件設計的實現成本相當。

轉用PMSM的最大受益者是那些目前正在使用有刷直流（BDC）或交流感應電機（ACIM）的應用。切換的主要好處包括具有更低的功耗、更高的速度、更平穩的轉矩、更低的可聞噪音、更長的使用壽命和更小巧的尺寸，從(cong) 而使應用更具競爭(zheng) 力。但是，要想實現使用PMSM的這些好處，開發人員需要實現更複雜的FOC控製技術以及其他應用特定算法，才能滿足係統需求。雖然PMSM比BDC或ACIM的成本更加昂貴，但它具有更多優(you) 勢。

實現中的挑戰

圖1：使用三相電壓源逆變器的三相無傳(chuan) 感器PMSM控製係統

但是，要實現使用PMSM的優(you) 勢，需要了解實現高級FOC電機控製技術時固有的硬件複雜性，同時還需要掌握這一領域的專(zhuan) 業(ye) 知識。圖1給出了使用三相電壓源逆變器的三相無傳(chuan) 感器PMSM控製係統。控製逆變器需要三對相互關(guan) 聯的高分辨率PWM信號，以及大量需要信號調理的模擬反饋信號。此係統還需要硬件保護功能來實現容錯，同時利用高速模擬比較器實現了快速響應。實現傳(chuan) 感、控製和保護所需的這些額外模擬元件增加了解決(jue) 方案的成本，而典型的BDC電機設計或簡單的ACIM每赫茲(zi) 電壓（V/F）控製並不需要這些元件。

此外，還有為(wei) PMSM電機控製應用定義(yi) 元件規格和進行驗證所需的開發時間。  要應對這些挑戰，設計人員可以選擇一款合適的單片機，以實現與(yu) 專(zhuan) 為(wei) PMSM電機控製量身定製的器件規格的高度模擬集成。這將會(hui) 減少所需的外部元件數量並優(you) 化物料清單（BOM）。高度集成的電機控製器件現已具有高分辨率PWM，可簡化高級控製算法、用於(yu) 精密測量和信號調理的高速模擬外設、功能安全所需的硬件外設，以及用於(yu) 通信和調試的串行接口的實現。

圖2：標準無傳(chuan) 感器FOC的框圖

此外，還有一個(ge) 較大的挑戰，即電機控製軟件與(yu) 電機的電機械行為(wei) 之間的交互。圖2給出了標準的無傳(chuan) 感器FOC框圖。要將其從(cong) 概念轉變為(wei) 實際的設計，需要了解控製器架構和數字信號處理器（DSP）指令，以實現數學計算密集的時間關(guan) 鍵控製環。

為(wei) 實現可靠的性能，控製環必須在一個(ge) PWM周期內(nei) 執行。必須對控製環的時間進行優(you) 化，具體(ti) 包括以下三個(ge) 原因：

1) 限製：使用不低於(yu) 20 kHz的PWM開關(guan) 頻率（時長為(wei) 50 μs），以抑製來自逆變器開關(guan) 的噪聲。

2) 為(wei) 實現帶寬更高的控製係統，控製環必須在一個(ge) PWM周期內(nei) 執行。

3) 為(wei) 支持其他後台任務（如係統監視、應用特定功能和通信），控製環需要以更快的速度運行。因此，FOC算法的目標應該是在10 μs以內(nei) 執行。

許多製造商提供了利用無傳(chuan) 感器估算器來估算轉子位置的FOC軟件示例。但是，在使電機開始轉動之前，FOC算法必須配置各種參數以匹配電機和硬件。必須對控製參數和係數進行進一步優(you) 化，以滿足所需的速度和效率目標。可以通過結合以下方法實現這一目標：1) 使用電機數據手冊(ce) 獲得參數；2) 反複進行試驗。電機數據手冊(ce) 並不能始終對電機參數進行準確的表征，或者設計人員無法獲得高精度測量設備，在這種情況下，開發人員將不得不借助反複試驗的方法。這種手動調整的過程需要時間和經驗。

PMSM電機用於(yu) 許多不同的應用，運行在不同的環境中，或者存在不同的設計限製。例如，在汽車散熱器風扇中，當電機即將啟動時，由於(yu) 風的作用，風扇葉片有可能向相反的方向自由旋轉。在這種情況下，啟動采用無傳(chuan) 感器算法的PMSM電機是一個(ge) 挑戰，而且有可能損壞逆變器。一種解決(jue) 方案是檢測旋轉方向和轉子位置，並利用這些信息在啟動電機前通過主動製動將電機減速至靜止狀態。同樣，還可能有必要實施附加算法，如每安培最大轉矩（MTPA）、轉矩補償(chang) 和磁場弱化[1]等。這些類型的應用特定附加算法對於(yu) 開發實用解決(jue) 方案必不可少，但它們(men) 也會(hui) 延長開發時間並使軟件驗證複雜化，進而增加設計複雜程度。

圖3：FOC的應用框架

降低複雜程度的一種解決(jue) 方案是，設計人員創建一個(ge) 模塊化軟件架構，這種架構可將應用特定算法添加到FOC算法中，同時不影響時間關(guan) 鍵型執行。圖3給出了典型的實時電機控製應用程序的軟件架構。此框架的核心是FOC函數，該函數提供了硬時序約束和許多應用特定的附加功能。框架內(nei) 的狀態機將這些控製功能與(yu) 主應用程序連接起來。這種架構需要在軟件函數塊之間有一個(ge) 定義(yi) 明確的接口，以使其實現模塊化並簡化代碼維護工作。模塊化框架支持不同應用特定算法與(yu) 其他係統監視、保護和功能安全程序的集成。

模塊化架構的另一個(ge) 好處是將外設接口層（或硬件抽象層）從(cong) 電機控製軟件中分離出來，這便於(yu) 設計人員在應用功能和性能需求發生變化時，將其IP從(cong) 一個(ge) 電機控製器無縫遷移到另一個(ge) 電機控製器。

完整生態係統的需求

應對這些挑戰需要一個(ge) 為(wei) 無傳(chuan) 感器FOC量身打造的電機控製生態係統。電機控製器、硬件、軟件和開發環境應協同工作，以簡化實現高級電機控製算法的過程。  為(wei) 實現這一目標，此生態係統應具有以下特性：

1.一種用於(yu) 自動執行電機參數測量、設計控製環和生成源代碼的高級工具，可讓沒有領域專(zhuan) 業(ye) 知識的設計人員能夠實現FOC電機控製，並編寫(xie) 和調試非常耗時的複雜時間關(guan) 鍵型代碼

2.適用於(yu) FOC和不同應用特定附加算法的應用框架，用於(yu) 縮短開發和測試時間

3.具有確定性響應的電機控製器以及可在單芯片中實現信號調理和係統保護的集成模擬外設，用於(yu) 降低解決(jue) 方案總成本

圖4：Microchip電機控製生態係統架構

圖4給出了一個(ge) 電機控製生態係統架構的示例，其中包括應用框架和一個(ge) 用於(yu) 高性能dsPIC33電機控製數字信號控製器（DSC）的開發套件。此開發套件在基於(yu) GUI的FOC軟件開發工具的基礎上構建，可以測量關(guan) 鍵的電機參數並自動調整反饋控製增益。此外，它還可為(wei) 利用電機控製應用框架（MCAF）在開發環境中創建的項目生成所需的源代碼。解決(jue) 方案協議棧的核心是電機控製庫，這種庫可以實現應用程序的時間關(guan) 鍵型控製環功能，並與(yu) dsPIC33 DSC的電機控製外設交互。此GUI可與(yu) 多個(ge) 可用的電機控製開發板配合使用，支持電機參數提取並為(wei) 各種低壓和高壓電機生成FOC代碼。

對高能效和產(chan) 品差異化的需求推動了向無刷電機的轉變。全麵的電機控製生態係統可提供一種整體(ti) 方法來簡化基於(yu) PMSM的無傳(chuan) 感器FOC的實現，這種方法應包含專(zhuan) 用的電機控製器、快速原型開發板和可自動生成代碼的易用FOC開發軟件。

參考資料

[1] TB3220-利用角度跟蹤鎖相環估算器實現麵向家用電器的永磁同步電機（表麵貼裝和內(nei) 置）的無傳(chuan) 感器磁場定向控製

[2] motorBench®開發套件

[3] 電機控製設計資源

[4] 電機控製庫

(來源：Microchip高級營銷工程師-II，Nelson Alexander）