32位微控制器實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制技術(shù)

根據(jù)美國(guó)能源局的統(tǒng)計(jì)，全球的能源約一半是被電機(jī)所消耗，因此如何改善電機(jī)控制系統(tǒng)的耗能便成為一個(gè)重要的課題。要降低電機(jī)的耗能，除了電機(jī)由交流電機(jī)走向直流無刷電機(jī)(BLDC)及電機(jī)本體的能效設(shè)計(jì)由IE1走向IE3之外，最重要的就是要有一個(gè)高性價(jià)比、高性能，且完全針對(duì)電機(jī)控制的專屬微控制器。

藉由一個(gè)針對(duì)電機(jī)控制的專屬高性能微控制器，即可實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的控制算法。導(dǎo)入先進(jìn)的控制算法，除了可以讓系統(tǒng)達(dá)到節(jié)能之外，亦可以讓整個(gè)控制系統(tǒng)在無傳感器的情況下，因應(yīng)負(fù)載的變化做出快速平滑的反應(yīng)。傳感器的配置，會(huì)增加組件及制造成本，而且很多場(chǎng)合是無法放置傳感器的，例如當(dāng)壓縮機(jī)內(nèi)有化學(xué)物質(zhì)以及一些產(chǎn)品因空間太小而無法放置。本文就是使用一個(gè)32位微控制器來實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的磁場(chǎng)定向控制(Field Oriented Control，F(xiàn)OC)、高頻電壓注入技術(shù)及空間矢量PWM(SVPWM)控制。

FOC

FOC又稱矢量控制(Vector Control)，F(xiàn)OC發(fā)明的初衷，就在于想把交流電機(jī)的控制方式轉(zhuǎn)換成直流電機(jī)的控制方式，直流電機(jī)的控制較簡(jiǎn)單，通過勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的分別控制，即可簡(jiǎn)單且準(zhǔn)確地控制電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩。

對(duì)感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩的解耦:交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)頻時(shí)電壓不變，磁場(chǎng)會(huì)發(fā)生變化，調(diào)壓的時(shí)候不調(diào)頻，磁場(chǎng)也會(huì)發(fā)生變化，因此V/F只是一種非常粗略的控制磁場(chǎng)的方式，根本達(dá)不到磁場(chǎng)的準(zhǔn)確控制;而FOC可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)更準(zhǔn)確的磁場(chǎng)控制，但是FOC需要較高運(yùn)算能力的微控制器。圖1是以偉詮電子32位微控制器為基礎(chǔ)的FOC系統(tǒng)圖，而針對(duì)內(nèi)環(huán)每一次的ADC中斷，進(jìn)行如下動(dòng)作:

· 利用Clarke變換，將相電流由靜態(tài)的三相變換成靜態(tài)的兩相電流。

· 利用Park變換，將靜態(tài)的兩相電流轉(zhuǎn)換成動(dòng)態(tài)的兩相電流(旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系)。

· 利用滑動(dòng)模態(tài)(Sliding Mode)控制器，計(jì)算出電機(jī)的速度及位置。

· 使用P I 控制器，針對(duì)速度及電流進(jìn)行控制。

· 利用Park逆變換，將動(dòng)態(tài)的兩相電流變換成靜態(tài)的兩相電流(靜止坐標(biāo)系)。

· 利用Clarke逆變換，將相電流由靜態(tài)的兩相變換成靜態(tài)的三相電流。

· 更新PWM輸出占空比。

· ADC中斷結(jié)束。

高頻電壓注入估計(jì)

電機(jī)的啟動(dòng)是P M S M 控制中的重要環(huán)節(jié)，PMSM的FOC系統(tǒng)通過施加與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相垂直的轉(zhuǎn)矩電流來確保電機(jī)的順利啟動(dòng)，但這需要獲知電機(jī)初始位置。大部分無位置傳感器控制無法預(yù)知轉(zhuǎn)子初始位置，一般采用開環(huán)啟動(dòng)或者將電機(jī)定位到預(yù)定位置啟動(dòng)。開環(huán)啟動(dòng)因不同角度起轉(zhuǎn)，常發(fā)生的狀況有反偏、卡頓等狀況，而電機(jī)預(yù)定位要求則在很多產(chǎn)品中是不適用的。

針對(duì)PMSM零速/低速下的無位置傳感器控制(圖1)，為了解決低速時(shí)轉(zhuǎn)子位置和速度估算不準(zhǔn)確的問題，一般均采用由美國(guó)威斯康辛大學(xué)的M.Corley及R.Lorenz兩位教授于1996年首先提出的高頻信號(hào)注入法，目前研究較多的是高頻電壓注入法。該方法是基于電機(jī)的凸極特性，在電機(jī)定子中注入高頻電壓信號(hào)，通過對(duì)高頻電流響應(yīng)進(jìn)行特定的信號(hào)處理(濾波、角度估計(jì)器)來獲得轉(zhuǎn)子位置信息。

圖1：以WT58F032為基礎(chǔ)的磁場(chǎng)定向/無感測(cè)控制系統(tǒng)架構(gòu)圖。

按照電壓注入方式的不同，高頻電壓注入法可分為以下兩類：(1)旋轉(zhuǎn)高頻電壓注入法—在定子坐標(biāo)系中注入旋轉(zhuǎn)高頻電壓信號(hào)，則高頻電流響應(yīng)的負(fù)序分量中含有轉(zhuǎn)子位置信息;通過對(duì)該信號(hào)進(jìn)行解調(diào)獲得電機(jī)轉(zhuǎn)子位置。(2)脈動(dòng)高頻電壓注入法—在估算的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系注入脈動(dòng)高頻電壓信號(hào)，則電流響應(yīng)的高頻分量中將包含位置估算誤差;通過對(duì)該高頻電流信號(hào)的處理，使得估算位置收斂于實(shí)際位置。

空間矢量脈寬調(diào)制

空間矢量PWM (SVPWM)的工作原理是利用三組半橋逆變器，經(jīng)由PWM調(diào)制電壓矢量來合成電機(jī)定子電流。此合成電流在定子線圈上產(chǎn)生的定子磁通矢量與轉(zhuǎn)子磁通相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。SVPWM因是以合成定子磁通矢量來決定三組半橋逆變器的切換時(shí)序，所以命名為空間矢量脈寬調(diào)制。這種調(diào)制方法是控制電壓矢量使得電機(jī)氣隙旋轉(zhuǎn)磁通矢量軌跡逼近一個(gè)理想的圓，且有最小的磁通波動(dòng)，其轉(zhuǎn)矩紋波(Torque Ripple)最低，因此在開路控制的情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)亦最小。表1為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的三組半橋逆變器功率開關(guān)器件，因?yàn)榭臻g矢量脈寬調(diào)制開關(guān)控制并無上下開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通的定義，所以實(shí)際上可視為兩種狀態(tài)開關(guān)時(shí)序(上開關(guān)OFF、下開關(guān)ON，或上開關(guān)ON、下開關(guān)OFF)。因此，三組功率開關(guān)器件，總共可產(chǎn)生八種開關(guān)狀態(tài)組合。

表1：SVPWM功率開關(guān)切換狀態(tài)、線電壓、相電壓與空間矢量之關(guān)系表。

SVPWM控制系統(tǒng)

以偉詮電子WT58F032微控制器為基礎(chǔ)的SVPWM控制系統(tǒng)，控制流程如下:

(1)主程序部分(Main Routine)。

① WT58F032復(fù)位;

② WT58F032芯片初始化設(shè)定;

③ 電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn);

④ Check啟動(dòng)信號(hào)是否為“真”—如為真”，進(jìn)入初始化電機(jī)配置及使能中斷;如為“假”，則回到電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

(2)中斷服務(wù)程序(Interrupt Service Routine)。

① 中斷服務(wù)程序啟動(dòng);

② 輸入捕捉單元/轉(zhuǎn)子區(qū)間計(jì)算;

③ 上述“②”中計(jì)算的結(jié)果，輸出給轉(zhuǎn)速計(jì)算單元及電機(jī)相位計(jì)算單元;

④ 上述“③”中計(jì)算出來的轉(zhuǎn)速，輸出給電機(jī)相位計(jì)算單元及PID控制器;

⑤ 上述“④”中計(jì)算出來的電機(jī)相位及PID輸出給正弦波發(fā)生器，以產(chǎn)生正弦波。

圖2為基于WT58F032的SVPWM控制圖2：WT58F032為基礎(chǔ)的SVPWM控制輸出波形。輸出波形(M形狀)。由圖可看出，SVPWM的線電壓利用率相較于一般的PWM會(huì)較高，因此能達(dá)到節(jié)能的效果。

圖2：WT58F032為基礎(chǔ)的SVPWM控制輸出波形。

總結(jié)

偉詮電子所提出的高性價(jià)比3 2 位微控制器， 除了有高運(yùn)算能力的3 2 位R ISC CPU 及內(nèi)置的一個(gè)在一個(gè)指令周期就可完成32b×32b乘法運(yùn)算的快速乘法器外，亦集成了針對(duì)電機(jī)控制所設(shè)計(jì)的外圍電路，包括高速ADC、高速及多模式操作PWM、PWM觸發(fā)ADC、高速比較器、QEI等。另外，考慮到工業(yè)控制的需求，此芯片支持寬壓工作(可運(yùn)行于2.0V～5.5V)，且有極佳的抗噪聲能力，非常適合用在高性能電機(jī)控制系統(tǒng)中。