32位微控制器实现先进控制技术

根据美国能源局的统计，全球的能源约一半是被电机所消耗，因此如何改善电机控制系统的耗能便成为一个重要的课题。要降低电机的耗能，除了电机由交流电机走向直流无刷电机(BLDC)及电机本体的能效设计由IE1走向IE3之外，最重要的就是要有一个高性价比、高性能，且完全针对电机控制的专属微控制器。
藉由一个针对电机控制的专属高性能微控制器，即可实现先进的控制算法。导入先进的控制算法，除了可以让系统达到节能之外，亦可以让整个控制系统在无传感器的情况下，因应负载的变化做出快速平滑的反应。传感器的配置，会增加组件及制造成本，而且很多场合是无法放置传感器的，例如当压缩机内有化学物质以及一些产品因空间太小而无法放置。本文就是使用一个32位微控制器来实现先进的磁场定向控制(Field Oriented Control，FOC)、高频电压注入技术及空间矢量PWM(SVPWM)控制。

FOC

FOC又称矢量控制(Vector Control)，FOC发明的初衷，就在于想把交流电机的控制方式转换成直流电机的控制方式，直流电机的控制较简单，通过励磁电流和转矩电流的分别控制，即可简单且准确地控制电机电磁转矩。

对感应电机进行磁场和转矩的解耦:交流异步电动机调频时电压不变，磁场会发生变化，调压的时候不调频，磁场也会发生变化，因此V/F只是一种非常粗略的控制磁场的方式，根本达不到磁场的准确控制；而FOC可以实现相对更准确的磁场控制，但是FOC需要较高运算能力的微控制器。图1是以伟诠电子32位微控制器为基础的FOC系统图，而针对内环每一次的ADC中断，进行如下动作:

· 利用Clarke变换，将相电流由静态的三相变换成静态的两相电流。

· 利用Park变换，将静态的两相电流转换成动态的两相电流(旋转坐标系)。

· 利用滑动模态(Sliding Mode)控制器，计算出电机的速度及位置。

· 使用P I 控制器，针对速度及电流进行控制。

· 利用Park逆变换，将动态的两相电流变换成静态的两相电流(静止坐标系)。

· 利用Clarke逆变换，将相电流由静态的两相变换成静态的三相电流。

· 更新PWM输出占空比。

· ADC中断结束。

高频电压注入估计

电机的启动是P M S M 控制中的重要环节，PMSM的FOC系统通过施加与转子磁场相垂直的转矩电流来确保电机的顺利启动，但这需要获知电机初始位置。大部分无位置传感器控制无法预知转子初始位置，一般采用开环启动或者将电机定位到预定位置启动。开环启动因不同角度起转，常发生的状况有反偏、卡顿等状况，而电机预定位要求则在很多产品中是不适用的。

针对PMSM零速/低速下的无位置传感器控制(图1)，为了解决低速时转子位置和速度估算不准确的问题，一般均采用由美国威斯康辛大学的M.Corley及R.Lorenz两位教授于1996年首先提出的高频信号注入法，目前研究较多的是高频电压注入法。该方法是基于电机的凸极特性，在电机定子中注入高频电压信号，通过对高频电流响应进行特定的信号处理(滤波、角度估计器)来获得转子位置信息。

32位微控制器实现先进控制技术

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