利用全可编程平台实现高效电机控制

环保一直是热门话题。为了实现低碳生活，发达国家的政府使用税收和费用来减少碳排放和能源使用。一半以上的电力用于驱动电机，因此设计人员不应但必须采用更高效的电机控制和设计。

本文将介绍FOC算法和PFM算法的综合应用，对电机进行严密控制，从而达到高精度、高效率。

磁场定向控制（FOC）算法

标量控制(或电压/频率控制)是一种简单的控制方法，它通过改变提供给定子的电源(电压)和频率来改变电机的扭矩和速度。这种方法非常简单，甚至可以用8/16位微处理器来设计。但是简单的设计伴随着大的缺陷——，缺乏鲁棒可靠的控制。如果负载在高速下保持恒定，这种控制方法就足够了。但是一旦负载发生变化，系统无法快速响应，导致能量损失。

相比之下，FOC可以提供严格的运动控制。这种方法的目的是保持定子电流和磁场正交(即90度角)，以获得大扭矩。由于系统获得的关于磁场的信息是恒定的(无论是从编码器获得的还是在无传感器工作状态下估计的)，所以它可以精确地控制定子电流以获得大的机械扭矩。

一般来说，FOC比较复杂，需要32位处理器和硬件加速功能。原因是这种方法需要几个计算密集型模块，如克拉克变换、帕克变换等。完成三维或二维坐标系之间的相互转换，从而提取电流与磁通量的关系信息。

如图1所示，要考虑用于控制电机的输入包括目标转矩命令、供给电流和转子角度。根据这些参数，计算出电力电子新的驱动值。完成一个FOC周期所需的时间称为循环时间。不出所料，循环时间越短，系统响应速度越快。快速响应系统意味着电机可以快速适应负载，在更短的时间内完成误差补偿，从而实现更平稳的电机运行和更高的效率。

图1:磁场定向控制可以严密控制电机转矩，提高效率。循环时间越短，系统响应速度越快。

FOC算法一般由嵌入式处理器实现，循环时间在50us到100us之间，具体取决于型号和可用硬件。此外，FOC可以通过软件实现，但其确定性无法保证。因此，大量设计使用FPGA硬件加速来充分发挥该技术的确定性和高速处理优势。使用先进的28nmFPGA技术，典型的FOC电流环路时间为1.6us1，明显短于软件方法。

由于加强电机控制不仅可以降低噪声，还可以提高效率和精度，目前大多数环路都是由硬件实现的，倾向于将速度环路和位置环路移植到硬件实现方案中。这种方法是可能的，因为随着数字电子电路技术的发展，单个设备具有足够强的计算能力。FPGA实现的速度控制环时间和位置控制环时间分别为3.6us1和18us1。与传统的软件方法相比，这是一个显著的性能改进，因为传统的位置循环时间通常以毫秒为单位。

调制

调制也是提高能效的关键模块。根据负载、性能要求和应用要求，可以采用不同的调制方案，这些调制方案对电机控制系统的运行有很大的影响。调制示意图(图2)分析了我们将在本文中评论的几种调制方案。

基本的调制方案采用六步调制法，代表三相功率桥的六种可能组合(不包括111和000个零状态，其中所有开关均关断)。这种切换方法表示为六边形的六个蓝色顶点。六步调制向电机施加大功率，即逆变器的输出电压等于Vdc。

虽然输出功率大，设计方案简单，但如果电机要求精度高，鲁棒性高，就不应该采用六步调制法。这是因为电机在非线性状态下运行，需要从一种状态(顶点)到另一种状态“跳跃”，所以不能平稳运行。

ext-indent: 2em;"> 要让电机更平稳运行，可以使用正弦调制法。正弦调制法能够让电机平稳运行吗，虽然与六步进调制法相比这种方法略显复杂，而且在效率上也没有优势，因为逆变器的输出仅为Vdc的一半，基本上是Vdc/2=0.5Vdc。在调制原理图上，这表示为红圈的内圈。

图2：调制原理图

为弥补正弦调制造成的损耗，空间矢量PWM（SVPWM）调制法运营而生。SVPWM可以提供1/√3Vdc=0.5773Vdc的电压。与正弦调制类似，SVPWM也能让电机平稳运行。在调制原理图上，这表示为红圈的外圈。图3是正弦调制法和SVPWM调制法的波形对比。

图3：正弦调制法和SVPWM调制法的波形对比

正弦调制法和空间矢量调制法均使用脉冲宽度调制（PWM）技术，一种为常见的工业调制技术。但是脉冲宽度调制使用固定的调制频率，通过改变脉冲宽度来调节对供电电压的控制，故谐波的出现是个问题。谐波是EMI、电机振动的原因，也是一种能量损耗。

为抑制谐波，可以使用另一种调制方法，即使用脉冲频率调制（PFM）。脉冲频率调制可让少量脉冲保持固定宽度，并根据所需的值按不同周期（频率）进行调制。这种调制方法可以减少谐波，因谐波会分散到所有频率上。

图4和图5即为对PWM和PFM的FFT（快速傅里叶变换）频率分析的对比情况。可以清楚地看到PFM可以消除第三次谐波失真。

图4：脉冲宽度调制方案产生的谐波。谐波会导致能量损耗和电机振动。

图5：脉冲频率调制方案中产生的谐波可分散到所有频谱上。看不到谐波尖峰。