利用單ARM7處理器對無刷電機實施磁場定向控制

電機驅動能效不論提高多少，都會節(jié)省大量的電能，這就是市場對先進的電機控制算法的興趣日濃的部分原因。三相無刷電機主要指是交流感應異步電機和永磁同步電機。這些電機以能效高、可靠性高、維護成本低、產品成本低和靜音工作而著稱。感應電機已在水泵或風扇等工業(yè)應用中得到廣泛應用，并正在與永磁同步電機一起充斥家電、空調、汽車或伺服驅動器等市場。推動三相無刷電機發(fā)展的主要原因有：電子元器件的價格降低，實現復雜的控制策略以克服本身較差的動態(tài)性能成為可能。

以異步電機為例。簡單的設計需要給定子施加三個120°相移的正弦波電壓，這些繞組的排列方式能夠產生一種旋轉磁通量。利用變壓器效應，這個磁通量在轉子籠內感應出一股電流，然后產生轉子磁通量。就是這兩種磁通量相互作用產生電磁力矩，使電機旋轉。在轉子上感應出電流的條件是，確保轉子的轉速與定子的磁通量頻率不同；如果相同，轉子只經歷一個恒定的磁通量，不會有感應電流產生（楞次定律）。通電頻率和其產生的機械頻率之間的微小差異是異步電機命名的原因。一個三相交流電機實現轉速可調操作的最簡單方式是，實現一個所謂的電壓/頻率控制（或者叫做標量控制），其工作原理是在頻率與電機通電電壓之間保持恒比。這種方法產生一個恒定的定子磁通量，然后在轉子主軸上得到額定的電機力矩。對于應用負載特性被大家了解的低成本驅動器，以及控制帶寬要求不是很高的驅動器，如數量很少的HP泵和風扇、洗衣機等，這是一個很受歡迎的控制方法。一個MIPS不是很高并帶有合理的外設接口的8位單片機如ST7MC，即可滿足這種應用需求，同時編程也很簡單。

這種方法無法在瞬間工作過程中保證最佳的電機特性（力矩、能效）。而且為防止電機出現臨時消磁現象，還必須限制驅動器反作用力的時間。為了克服這些限制條件，考慮到電機的動態(tài)特性，市場上出現了其他的控制策略。磁場定向控制（也稱矢量控制）是應用最廣泛的控制算法，目標應用包括帶式傳輸機、大功率水泵、汽車廢氣排放、工廠自動化。這種方法允許用兩個去耦的控制變量（下文簡稱Id和Iq）控制一個交流電機，就像控制分開勵磁的直流電機一樣。勵磁電流Id產生直流主磁通量，而Iq則控制力矩，功能與直流電機中的電樞電流一樣。當負載發(fā)生變化時，磁場定向控制能夠對轉速進行精確的控制，響應速度非?？?，甚至在瞬間操作過程中，通過使定子和轉子的磁通量保持正交，可以優(yōu)化電機能效。這種方法可實現位置控制方案（通過瞬間力矩控制），在低速運轉時釋放電機的全部力矩。

下面簡要介紹一下磁場定向控制的工作原理。把參考坐標系從固定的定子線圈換到運動的轉子磁通量坐標系，采用兩個著名的變換運算法則：Clarke變換和Park變換。Clarke變換是將120°相移三軸坐標系(Ia, Ib, Ic)轉換成兩軸直角坐標系(Ia, Ib)；Park變換是將固定的 (Ia, Ib)坐標系統(tǒng)轉換成與轉子相關的兩軸旋轉坐標系(Id, Iq)。最后這兩個數值是直流或者變化緩慢的數值，采用簡單的PI控制器方法可以調整這兩個數值。最后，利用逆變換(Park和Clarke逆變換)將其還原到固定的AC三相坐標系，如圖1所示。

圖1 磁場定向控制的工作原理

在各種矢量控制方法中，我們采用一個間接磁場定向控制方法，唯一測量和處理的電機模型參數是轉子時間常數Lr/Rr（在轉差估算器模塊內）。如果電機是一個永磁同步電機，結構框圖和相應的功能將會非常相似，不再需要轉差估算器，磁通量命令可以設定為零(磁鐵自己產生磁通量)。算法只是這項工作的一部分：只要計算出電壓電平，就必須將其轉換成伏特和安培。像在任何一個現代功率電子系統(tǒng)一樣，這個電機控制系統(tǒng)由肌肉（功率轉換器）和大腦（單片機）組成。驅動功率轉換器（俗稱逆變器）是由三個PWM輸出驅動。從圖2中不難看出，一個功率強大的三路緩沖器將一個0-5V的邏輯信號，轉變成一個0-300V的方波信號，施加到電機端子上。電機的繞組電感起到一個低通濾波器的作用：去除載波頻率，平滑電流變化，形成一個正弦電流波形，即PWM調制的波形。

圖2 電機控制系統(tǒng)

讓我們從CPU開始逐個查看一個先進的電機驅動器系統(tǒng)的整體需求。整個矢量控制算法必須連續(xù)反復計算，計算速度在1~10 kHz之間（1ms一直到100μs閉環(huán)時間，視最終應用的帶寬而定）。系統(tǒng)需要大量的數學計算（三角函數、PID調整器、實時磁通量和基于電機參數的力矩估算）。此外，必須給應用的其余部分（通信、用戶界面等）的計算留有余地。為了不限制動態(tài)性能，主要控制變量需要最低16位的精度，中間結果需要32位計算能力。所有這些因素說明了矢量控制必須使用高速、高性能處理器的原因。市場現有產品包括16位或32位單片機、混合控制器或數字信號處理器，這些產品通常與先進的電機控制直接相關，如果你不是刻意追求速度最快的數字電流控制回路或最精確的曲線控制，一個基于ARM7處理器的解決方案剛好滿足磁通量定向控制的要求。除核心的性能外，若想最大限度減少外部組件，還需配備合理的外設接口。這樣設計可大大簡化設計過程，確保成本效益和可靠性（因為PCB設計被簡化）。

在信號生成方面，通用PWM通道是不適合的，必須使用電機控制專用PWM信號，因此必須采用三對同步互補PWM通道，含有死區(qū)時間插入功能，以防止半橋可能發(fā)生短路故障。為安全起見，當功率級出現故障/錯誤（過流、高溫）時，必須同時關閉這6路PWM通道。安全功能還配備一個專用的緊急故障輸入。定時器的時鐘頻率（典型值>50MHz）和PWM載波頻率的三角波形才是確保正弦波形的高精度和最佳的噪聲-開關損耗比的兩個因素，而非鋸齒波形。

模擬信號采集是MCU的另一個主要負荷，電機監(jiān)控必須控制兩類信號：緩慢變化的信號如DC總線電壓（含有100Hz波紋電壓成分）或電位器電壓；高動態(tài)的頻率范圍幾赫茲到數百赫茲的電機電流，其中含有PWM速率（典型值高于10 kHz）的波紋電流。因此，模數轉換器的速度必須很快（低于5μs），以便在對電機相位進行順序采樣時，減少對不平穩(wěn)電流的測量，節(jié)省為等候模數轉換結果而在PWM中斷服務程序上消耗的時間。在轉換器精度方面，10位正在成為轉換器的標準。雖然8位轉換器對大多數應用已經夠用，但是電流范圍擴大的應用需要10位以上的模數轉換器，以便在各種負載條件下保證充足的分辨率。此外，控制精度與模數轉換器的質量有直接的關系。

最后，我們還必須處理轉速和/或位置傳感器。遞增編碼器位置傳感器需要專用的信號調節(jié)功能，作為一個具有加減計數功能的外部時鐘，來處理兩個正交信號輸出。處理這個功能的是一個含有專用編碼器模式的定時器。

我們在STR730單片機上成功地實現了一個帶傳感器的磁場定向控制（基于轉速生成器）算法，該單片機基于ARM7TDMI處理器，工作頻率32MHz，內嵌閃存。這個算法完全采用C語言開發(fā)，沒有進行任何刻意的代碼優(yōu)化。在實際算法中，完成整個控制回路用時55μs，在3kHz采樣速率下CPU負荷17％。當核心運行在60MHz時，預計執(zhí)行時間低于20μs。采用ARM7處理器實現的算法具有很多優(yōu)點。首先，ARM現已成為標準核心，其平臺方法和大量的開發(fā)工具是節(jié)省成本的關鍵所在；其次，假如下一代產品設計需要更高處理速度（MIPS），你可以直接升級到基于ARM9的產品。從架構的角度看，桶形移位器很有趣，它允許在整個處理流程中優(yōu)化變量分辨率。你可以在一個時鐘周期內改變格式以達到限制處理時間的目的，此外，它允許利用常數節(jié)省某些乘法運算，例如r0=(r14) - r1相當于r0=15xr1，甚至速度更快。低成本的DSP有16位固點核心。當必須處理PI調整器的積分項或擴展所需的精度范圍時，ARM7的32位數據通道能夠避免多個16位負載。當進行電機控制信號處理時，DSP的其他重要功能沒有太大的用途，例如，硬件閉環(huán)和雙尋址模式。這些在某種程度上說明了人們?yōu)槭裁窗袮RM7處理器喻成如此優(yōu)化的架構。

圖3所示是一個新的STR7產品，為ST的基于ARM7處理器的產品線開發(fā)，能夠滿足前文概述的系統(tǒng)需求。主要特性包括：
* SPTimer同步PWM定時器，執(zhí)行高端PWM信號生成功能，基于16位定時器，時間分辨率可降至16.6ns，實現最佳的電壓重建；
* 能夠產生居中或邊緣對齊的PWM圖形；
* 逆變器故障處理所需的內部可編程死區(qū)時間信號生成器和緊急故障保護功能；
* 為簡化軟件處理任務，采用多個中斷源、一個可編程重載速率和“禁止吸煙”保護，以防止軟件因為失控而修改系統(tǒng)重要外設的配置寄存器。

圖3 新的STR7產品

這個SPTimer還可作為通用定時器，帶有兩個輸入捕獲引腳、兩個輸出比較引腳，以及可最大限度降低軟件開銷的編碼器專用模式。該模式具有x2或x4分辨率、方向自動管理，可以給所選編碼器的線數編程，因此可從計數寄存器直接讀取轉子角位信號。針對電流測量功能，新產品內置一個具有自動掃描功能的3μs 10位模數轉換器。主要外設接口包括多個定時器、通信接口等?？紤]到單片機處理的非電機控制性任務，我們在電路板上設計了智能外設，像連接端子、功率因數校正、耗能制動等。

意法半導體集中全力開發(fā)電機控制市場，是世界僅有的幾家有能力提供完整的電機控制產品組合的供應商之一，產品范圍從快速二極管到處理器，包括高壓柵驅動器和開關。為滿足更加節(jié)能的“綠色” 電機和高性能驅動器的需求，我們打造了一個以ARM為核心的完整產品線，幫助設計人員揭開向量控制算法的神秘面紗。這種控制方法很快就會把今天的主流的DSP式控制淘汰出局。推廣應用一個新的控制方法：既然使用以ARM為核心的標準單片機就能滿足先進的電機控制需求，有誰還肯再花費時間在專有的架構上實現先進的電機控制呢？