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利用全可編程平臺實現高效電機控制

  • 發布時間:??2021-03-24
  • 分類:公司動態
  • 作者:
  • 來源:未知
  • 訪問量:8179

環保一直是熱門話題。為了實現低碳生活,發達國家的政府使用稅收和費用來減少碳排放和能源使用。一半以上的電力用于驅動電機,因此設計人員不應但必須采用更高效的電機控制和設計。

本文將介紹FOC算法和PFM算法的綜合應用,對電機進行嚴密控制,從而達到高精度、高效率。

磁場定向控制(FOC)算法

標量控制(或電壓/頻率控制)是一種簡單的控制方法,它通過改變提供給定子的電源(電壓)和頻率來改變電機的扭矩和速度。這種方法非常簡單,甚至可以用8/16位微處理器來設計。但是簡單的設計伴隨著大的缺陷——,缺乏魯棒可靠的控制。如果負載在高速下保持恒定,這種控制方法就足夠了。但是一旦負載發生變化,系統無法快速響應,導致能量損失。

相比之下,FOC可以提供嚴格的運動控制。這種方法的目的是保持定子電流和磁場正交(即90度角),以獲得大扭矩。由于系統獲得的關于磁場的信息是恒定的(無論是從編碼器獲得的還是在無傳感器工作狀態下估計的),所以它可以精確地控制定子電流以獲得大的機械扭矩。

一般來說,FOC比較復雜,需要32位處理器和硬件加速功能。原因是這種方法需要幾個計算密集型模塊,如克拉克變換、帕克變換等。完成三維或二維坐標系之間的相互轉換,從而提取電流與磁通量的關系信息。

如圖1所示,要考慮用于控制電機的輸入包括目標轉矩命令、供給電流和轉子角度。根據這些參數,計算出電力電子新的驅動值。完成一個FOC周期所需的時間稱為循環時間。不出所料,循環時間越短,系統響應速度越快。快速響應系統意味著電機可以快速適應負載,在更短的時間內完成誤差補償,從而實現更平穩的電機運行和更高的效率。

圖1:磁場定向控制可以嚴密控制電機轉矩,提高效率。循環時間越短,系統響應速度越快。

FOC算法一般由嵌入式處理器實現,循環時間在50us到100us之間,具體取決于型號和可用硬件。此外,FOC可以通過軟件實現,但其確定性無法保證。因此,大量設計使用FPGA硬件加速來充分發揮該技術的確定性和高速處理優勢。使用先進的28nmFPGA技術,典型的FOC電流環路時間為1.6us1,明顯短于軟件方法。

由于加強電機控制不僅可以降低噪聲,還可以提高效率和精度,目前大多數環路都是由硬件實現的,傾向于將速度環路和位置環路移植到硬件實現方案中。這種方法是可能的,因為隨著數字電子電路技術的發展,單個設備具有足夠強的計算能力。FPGA實現的速度控制環時間和位置控制環時間分別為3.6us1和18us1。與傳統的軟件方法相比,這是一個顯著的性能改進,因為傳統的位置循環時間通常以毫秒為單位。

調制

調制也是提高能效的關鍵模塊。根據負載、性能要求和應用要求,可以采用不同的調制方案,這些調制方案對電機控制系統的運行有很大的影響。調制示意圖(圖2)分析了我們將在本文中評論的幾種調制方案。

基本的調制方案采用六步調制法,代表三相功率橋的六種可能組合(不包括111和000個零狀態,其中所有開關均關斷)。這種切換方法表示為六邊形的六個藍色頂點。六步調制向電機施加大功率,即逆變器的輸出電壓等于Vdc。

雖然輸出功率大,設計方案簡單,但如果電機要求精度高,魯棒性高,就不應該采用六步調制法。這是因為電機在非線性狀態下運行,需要從一種狀態(頂點)到另一種狀態“跳躍”,所以不能平穩運行。

ext-indent: 2em;"> 要讓電機更平穩運行,可以使用正弦調制法。正弦調制法能夠讓電機平穩運行嗎,雖然與六步進調制法相比這種方法略顯復雜,而且在效率上也沒有優勢,因為逆變器的輸出僅為Vdc的一半,基本上是Vdc/2=0.5Vdc。在調制原理圖上,這表示為紅圈的內圈。

圖2:調制原理圖

為彌補正弦調制造成的損耗,空間矢量PWM(SVPWM)調制法運營而生。SVPWM可以提供1/√3Vdc=0.5773Vdc的電壓。與正弦調制類似,SVPWM也能讓電機平穩運行。在調制原理圖上,這表示為紅圈的外圈。圖3是正弦調制法和SVPWM調制法的波形對比。

圖3:正弦調制法和SVPWM調制法的波形對比

正弦調制法和空間矢量調制法均使用脈沖寬度調制(PWM)技術,一種為常見的工業調制技術。但是脈沖寬度調制使用固定的調制頻率,通過改變脈沖寬度來調節對供電電壓的控制,故諧波的出現是個問題。諧波是EMI、電機振動的原因,也是一種能量損耗。

為抑制諧波,可以使用另一種調制方法,即使用脈沖頻率調制(PFM)。脈沖頻率調制可讓少量脈沖保持固定寬度,并根據所需的值按不同周期(頻率)進行調制。這種調制方法可以減少諧波,因諧波會分散到所有頻率上。

圖4和圖5即為對PWM和PFM的FFT(快速傅里葉變換)頻率分析的對比情況。可以清楚地看到PFM可以消除第三次諧波失真。

圖4:脈沖寬度調制方案產生的諧波。諧波會導致能量損耗和電機振動。

圖5:脈沖頻率調制方案中產生的諧波可分散到所有頻譜上。看不到諧波尖峰。

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