讓我們介紹一種在我們應用場景中處於中心位置的永磁同步電機，即PMSM。PMSM有you很hen多duo種zhong外wai形xing和he體ti積ji，適shi合he很hen多duo種zhong應ying用yong
，從cong開kai關guan門men到dao機ji器qi人ren手shou術shu工gong具ju關guan節jie等deng。在zai這zhe一yi領ling域yu中zhong，它ta得de到dao了le廣guang泛fan的de應ying用yong，這zhe是shi因yin為wei其qi固gu有you的de可ke靠kao性xing、低成本，在我們的應用中，經過適當的控製，可以實現高精度和高效率。實際上
，應用的要求越來越高
，PMSM支持您降低機電設計的複雜性，在軟件中實現複雜的功能。

 

PMSM機械和電氣特性非常簡單(圖1) 。轉子正如其名稱所示，是永磁體。通常有三個定子繞組
，在電機中均勻的120度角分布。真正的訣竅在於繞組的不同：轉(zhuan)動(dong)密(mi)度(du)是(shi)圍(wei)繞(rao)定(ding)子(zi)呈(cheng)正(zheng)弦(xian)分(fen)布(bu)，因(yin)此(ci)，繞(rao)組(zu)實(shi)際(ji)上(shang)在(zai)邊(bian)緣(yuan)上(shang)相(xiang)互(hu)重(zhong)疊(die)。在(zai)繞(rao)組(zu)合(he)適(shi)的(de)相(xiang)位(wei)上(shang)應(ying)用(yong)正(zheng)弦(xian)電(dian)流(liu)
，您(nin)能(neng)夠(gou)建(jian)立(li)與(yu)轉(zhuan)子(zi)場(chang)角(jiao)度(du)垂(chui)直(zhi)的(de)旋(xuan)轉(zhuan)磁(ci)場(chang)，從(cong)而(er)在(zai)轉(zhuan)子(zi)上(shang)高(gao)效(xiao)的(de)產(chan)生(sheng)扭(niu)矩(ju)。

圖1. PMSM截麵

 

控製PMSM並不是高科技。一個簡單的MCUshiyongzhazhaobiaohechazhilaishengchengsuoxudequdongdianliushibianzhengxianxinhao
，weiraozutigongdianliu。ruguosuanfazhengque，raozuhuichanshengdianjixuanzhuancichang
，zhuanzisuizhizhuandong。suiranqibuyouxiefuza，danbijingwanchengrenwule，duiba
？buwanquanshizheyang。

 

 

開(kai)環(huan)控(kong)製(zhi)的(de)問(wen)題(ti)總(zong)是(shi)很(hen)複(fu)雜(za)。啟(qi)動(dong)電(dian)機(ji)
，特(te)別(bie)是(shi)有(you)負(fu)載(zai)的(de)情(qing)況(kuang)
，會(hui)比(bi)較(jiao)難(nan)，效(xiao)率(lv)也(ye)不(bu)高(gao)。開(kai)環(huan)控(kong)製(zhi)器(qi)的(de)響(xiang)應(ying)並(bing)不(bu)能(neng)很(hen)好(hao)的(de)適(shi)應(ying)負(fu)載(zai)扭(niu)矩(ju)或(huo)者(zhe)速(su)度(du)命(ming)令(ling)的(de)變(bian)化(hua)
，無(wu)法(fa)抑(yi)製(zhi)振(zhen)動(dong)。出(chu)於(yu)通(tong)常(chang)的(de)考(kao)慮(lv)
，反(fan)饋(kui)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)工(gong)作(zuo)起(qi)來(lai)會(hui)更(geng)好(hao)一(yi)些(xie)。

 

問(wen)題(ti)是(shi)要(yao)控(kong)製(zhi)什(shen)麼(me)。很(hen)明(ming)顯(xian)，我(wo)希(xi)望(wang)控(kong)製(zhi)轉(zhuan)動(dong)角(jiao)度(du)
，在(zai)某(mou)些(xie)應(ying)用(yong)中(zhong)，旋(xuan)轉(zhuan)速(su)度(du)。我(wo)們(men)必(bi)須(xu)通(tong)過(guo)控(kong)製(zhi)產(chan)生(sheng)旋(xuan)轉(zhuan)磁(ci)場(chang)的(de)三(san)個(ge)繞(rao)組(zu)電(dian)流(liu)來(lai)完(wan)成(cheng)這(zhe)一(yi)工(gong)作(zuo)。對(dui)此(ci)最(zui)好(hao)的(de)方(fang)法(fa)是(shi)，在(zai)業(ye)界(jie)已(yi)經(jing)應(ying)用(yong)的(de)多(duo)路(lu)步(bu)進(jin)
，即(ji)

，線(xian)程(cheng)定(ding)位(wei)控(kong)製(zhi) (FOC) (圖2) 。

圖2. 驅動結構圖

第一，我們采集來自轉軸編碼器的轉子位置采樣，以及三個繞組中兩個繞組的電流采樣。

由(you)於(yu)一(yi)些(xie)很(hen)好(hao)的(de)數(shu)學(xue)算(suan)法(fa)，我(wo)們(men)並(bing)不(bu)需(xu)要(yao)所(suo)有(you)三(san)個(ge)繞(rao)組(zu)電(dian)流(liu)。這(zhe)些(xie)采(cai)樣(yang)告(gao)訴(su)我(wo)們(men)轉(zhuan)子(zi)以(yi)及(ji)定(ding)子(zi)旋(xuan)轉(zhuan)磁(ci)場(chang)的(de)瞬(shun)時(shi)位(wei)置(zhi)和(he)滯(zhi)後(hou)速(su)度(du)。我(wo)們(men)的(de)工(gong)作(zuo)是(shi)控(kong)製(zhi)轉(zhuan)子(zi)的(de)速(su)度(du)和(he)位(wei)置(zhi)
，這(zhe)通(tong)過(guo)控(kong)製(zhi)定(ding)子(zi)繞(rao)組(zu)的(de)電(dian)流(liu)大(da)小(xiao)來(lai)實(shi)現(xian)，同(tong)時(shi)還(hai)要(yao)讓(rang)旋(xuan)轉(zhuan)磁(ci)場(chang)比(bi)轉(zhuan)子(zi)磁(ci)場(chang)超(chao)前(qian)90度。

 

通過兩個簡單的變換，我們很容易完成這一工作。Clarke變換將兩個定子繞組的電流采樣 — 它們分開120度，映射到一對正交矢量上。矢量的方向相對於定子是固定的

，當然，其矢量和是旋轉磁場矢量。Clarke變換隻需要將電流值乘以常數

，加上乘積——簡單的乘累加運算。

 

第二種變換是Park變換
，將這兩個正交矢量映射到轉子參考的旋轉幀中。

一個矢量與轉子磁場對齊，另一個正交矢量，角度與其垂直。Park變換比較難處理。在進行矢量乘法把矢量變換成轉子參考幀之前，它使用瞬時轉軸位置來計算sin(θ)和cos(θ)係數。

 

現在，我們可以控製信號。我們把與轉子對齊的矢量保持為0

，表示定子磁通量沒有對轉子產生扭矩。我們使用正交分量來控製轉子位置和速度，定子磁通量實際上產生了扭矩。

 

例如
，控製器會處理所需位置的輸入，將其與傳統分立時間比例積分(PI) 控製電流的實際轉軸角度相對比，產生誤差信號，輸出至 FOC 模塊。FOC 模塊然後會把這一誤差信號送入正交扭矩信號中，使轉子旋轉。模塊會應用 Park 反變換，把扭矩映射回定子參考的固定幀
，然後，通過Clarke反 bianhuan
，baniujuxinhaoyingshedaodianliuzhong，songrusangeraozu。zheyangjiugaibianledingziraozusuoxuweizhihesuoxusudushurujilixinhao
，xuanzhuandingzicichang，shizhuanzichuyusuoxudejiaodushang。

 

計算負載並沒有那麼複雜：FOC模塊每一采樣間隔可能是兩次三角運算，10次乘法，7次加法
，以及一些其他運算來實現PI控製器。所有這些算法都可以在定點中實現
，需要仔細一些。采用目前的典型16 kHz采樣和脈衝寬度調製速率，我們並沒有降低現代32位MCU的整體性能。但是，不止於此。

 

 

讓我們從那個轉軸編碼器開始。FOCsuanfabixuyoujingquedezhuanzhoujiaodufankui。chuantongshang
，zheyishujulaizizhuanzhoubianmaqiyudianjizhuanzhoulianjiedeguangjidianshebei。danshi，bianmaqitigaolexitongzhongmeiyidianjidechengben、體積、重量
，增加了新的失效模式。它需要控製器工業標準接口。

 

原理上，有足夠的定子繞組電壓和電流信息來確定轉子位置。這樣，可以實現無傳感工作 — 至(zhi)少(shao)可(ke)以(yi)不(bu)采(cai)用(yong)轉(zhuan)軸(zhou)編(bian)碼(ma)器(qi)

，采(cai)用(yong)更(geng)多(duo)的(de)電(dian)流(liu)傳(chuan)感(gan)器(qi)和(he)三(san)個(ge)電(dian)壓(ya)傳(chuan)感(gan)器(qi)來(lai)替(ti)代(dai)它(ta)，所(suo)有(you)這(zhe)些(xie)信(xin)號(hao)都(dou)需(xu)要(yao)精(jing)確(que)的(de)模(mo)數(shu)轉(zhuan)換(huan)。這(zhe)樣(yang)，很(hen)多(duo)複(fu)雜(za)的(de)機(ji)械(xie)功(gong)能(neng)可(ke)以(yi)在(zai)軟(ruan)件(jian)中(zhong)實(shi)現(xian)。

 

就是這種想法。繞組負載上的電壓有兩個主要分量：繞組串聯電阻導致的IR壓降，來自繞組電感的後向EMF。但是
，後向EMF本身有兩個來源：繞rao組zu自zi身shen的de電dian感gan，以yi及ji轉zhuan子zi通tong過guo繞rao組zu磁ci力li線xian導dao致zhi的de漏lou磁ci通tong量liang。如ru果guo您nin能neng夠gou隔ge離li電dian壓ya變bian化hua的de最zui後hou部bu分fen，基ji本ben上shang就jiu能neng夠gou計ji算suan出chu轉zhuan子zi角jiao度du。實shi際ji上shang，這zhe樣yang做zuo涉she及ji到dao一yi些xie計ji算suan
，包bao括kuoPark變換
，積分評估，以及每一采樣間隔期間的反三角函數運算。

 

raner
，chuleshiyanshihuanjing，ninbutaikenenghuodedianjitexingdejingqueshuju，liru，raozuzukanghediangandeng。butongdedianjiyoubutongdezheleizhibiao，erqiezhexiezhibiaohaiduiwenduhelaohuadengqitacanshufeichangmingan。

 

由you此ci，開kai發fa人ren員yuan建jian議yi了le各ge種zhong方fang案an從cong狀zhuang態tai變bian量liang矩ju陣zhen中zhong提ti取qu出chu轉zhuan子zi角jiao度du。這zhe些xie想xiang法fa包bao括kuo鎖suo定ding由you轉zhuan子zi導dao致zhi的de電dian壓ya波bo紋wen的de鎖suo相xiang環huan
，計ji算suan轉zhuan子zi位wei置zhi的de狀zhuang態tai估gu算suan器qi，將jiang其qi結jie果guo與yu以yi前qian的de數shu據ju進jin行xing對dui比bi，還hai有you最zui終zhong的de估gu算suan器qi，Kalman濾波器。與直接計算相比
，這些方法至少讓計算負載增加了一倍，每一周期至少需要30次算術運算。

 

 

FOC的(de)優(you)點(dian)之(zhi)一(yi)是(shi)能(neng)夠(gou)控(kong)製(zhi)振(zhen)動(dong)及(ji)其(qi)伴(ban)隨(sui)噪(zao)聲(sheng)。這(zhe)類(lei)測(ce)量(liang)提(ti)高(gao)了(le)能(neng)效(xiao)和(he)機(ji)械(xie)可(ke)靠(kao)性(xing)，有(you)可(ke)能(neng)不(bu)需(xu)要(yao)太(tai)多(duo)的(de)機(ji)械(xie)設(she)計(ji)。在(zai)消(xiao)費(fei)類(lei)市(shi)場(chang)上(shang)，這(zhe)能(neng)夠(gou)把(ba)600美元的洗衣機抬高到售價800 美元的豪華型。

 

原理還是那麼簡單。如果振動的原因是控製環不穩定造成的，那麼您可以改變 PI 控製器的增益，使其更接近臨界阻尼。如果振動是由電機、驅動轉軸或者負載機械共振造成的，您可以通過吸收扭矩信號共振頻率功率來消除振動。比較方便的是，FOC方法使您能夠在扭矩信號變成三路時變正弦信號之前訪問它，因此

，增加陷波濾波器吸收共振頻率功率就可以了。

 

不(bu)論(lun)哪(na)一(yi)操(cao)作(zuo)，增(zeng)加(jia)增(zeng)益(yi)環(huan)還(hai)是(shi)濾(lv)除(chu)錯(cuo)誤(wu)信(xin)號(hao)，都(dou)會(hui)對(dui)係(xi)統(tong)動(dong)態(tai)速(su)度(du)和(he)位(wei)置(zhi)誤(wu)差(cha)產(chan)生(sheng)不(bu)利(li)影(ying)響(xiang)。但(dan)是(shi)在(zai)很(hen)多(duo)應(ying)用(yong)中(zhong)
，對(dui)於(yu)平(ping)滑(hua)安(an)靜(jing)的(de)操(cao)作(zuo)，轉(zhuan)軸(zhou)速(su)度(du)的(de)瞬(shun)時(shi)誤(wu)差(cha)並(bing)不(bu)重(zhong)要(yao)。

振動控製需要三種主要的處理模塊：快速傅裏葉變換(FFT)，congzhuanzhouweizhihuozheraozudianliushujuzhongtiquchupinpu
，tancehexiangyingmokuai
，zhaodaopinpuzuidazhi，quedingzenyangchulitamen，haiyouyigehuozhegengduodekebianchengxianbolvboqi
，qudiaoniujuxinhaozhongdezabopinlv(圖3) 。

圖3.扭矩控製器和Park反變換之間的可編程陷波濾波器能夠改進係統的共振。

 

這些模塊都適合應用。在某些係統中
，共振是固定的，或者慢變的，FFT會是啟動或者後台任務。在共振變化很快的係統中
，FFT需要連續運行。響應模塊與應用有很大的關係，確定對PI環huan路lu增zeng益yi的de調tiao整zheng，增zeng加jia濾lv波bo器qi
，選xuan擇ze濾lv波bo器qi參can數shu等deng，在zai很hen大da程cheng度du上shang取qu決jue於yu整zheng個ge電dian機ji係xi統tong的de特te性xing。因yin此ci，在zai沒mei有you詳xiang細xi了le解jie係xi統tong的de情qing況kuang下xia
，不bu太tai可ke能neng估gu算suan振zhen動dong控kong製zhi所suo需xu要yao的de計ji算suan負fu載zai。

 

 

目前為止我們已經進行了很多工作
，每一16 kHz周期可能有幾百項算術指令，還有FFT計算。我們所麵臨的是
，任務的增長已經超出了低成本MCU的簡單中斷服務。但還有更多。

 

最明顯的是增加了很多電機。很多控製任務本質上都是多軸的：例(li)如(ru)，粉(fen)碎(sui)機(ji)的(de)工(gong)具(ju)位(wei)置(zhi)，或(huo)者(zhe)全(quan)關(guan)節(jie)機(ji)器(qi)人(ren)手(shou)等(deng)。在(zai)集(ji)成(cheng)級(ji)，在(zai)軸(zhou)上(shang)需(xu)要(yao)共(gong)享(xiang)實(shi)時(shi)數(shu)據(ju)等(deng)，就(jiu)能(neng)夠(gou)體(ti)現(xian)多(duo)通(tong)道(dao)控(kong)製(zhi)器(qi)的(de)優(you)點(dian)。但(dan)是(shi)由(you)於(yu)軸(zhou)之(zhi)間(jian)有(you)很(hen)少(shao)的(de)冗(rong)餘(yu)計(ji)算(suan)，因(yin)此(ci)，更(geng)多(duo)的(de)通(tong)道(dao)隻(zhi)是(shi)增(zeng)加(jia)了(le)工(gong)作(zuo)負(fu)載(zai)。

 

還有采樣率。目前的采樣率從以前的搜索RMS位置或者速度誤差的16 kHz標準，增長到 100 kHz。自然的
，提高采樣間隔會減少完成實時計算的時間，必須在采樣間隔期間完成實時計算。

 

工廠之外的變化也對控製器體係結構帶來了壓力：zixitonglianwangle。yigezhuyaodezhuanhuandianshishejizhongzengjialegongyewangluojiekou。zhujiande

，xitongshejirenyuanxiwangtongguowangluofasongmingling，jianzhazhuangtai

，duqurizhishuju。wangluojiekoubujinzengjialebiyaodewulicenghejiezhifangwenyingjian，erqiehaiyouyibuzhixingdexieyizhan，yukongzhihuandetongbucaiyanghuodongshiyibude。xianzai，womenbujinyoujiandandezhongduanchufashishirenwu
，haiyoushijianxianzhideliangxiangrenwu
，yigeshishide，yigemianxiangwangluode。zaizheyidian，hennanbucaiyongRTOS。

 

網wang絡luo訪fang問wen隨sui之zhi而er來lai的de是shi容rong易yi受shou到dao攻gong擊ji。對dui聯lian網wang控kong製zhi係xi統tong進jin行xing攻gong擊ji，不bu論lun是shi否fou直zhi接jie連lian接jie互hu聯lian網wang
，都dou有you可ke能neng受shou到dao黑hei客ke的de攻gong擊ji。沒mei有you絕jue對dui的de安an全quan。相xiang應ying的de，即ji使shi是shi看kan起qi來lai不bu太tai重zhong要yao的de電dian機ji控kong製zhi器qi的de子zi係xi統tong今jin後hou也ye要yao受shou到dao保bao護hu。這zhe意yi味wei著zhe
，它ta們men必bi須xu有you本ben地di認ren證zheng消xiao息xi
，以yi及ji加jia密mi和he解jie密mi數shu據ju。這zhe通tong常chang表biao明ming需xu要yao加jia密mi加jia速su器qi。

 

因此，這就回答了我們最初的問題。我們看到PMSM控製器在增加，更多的特性在軟件中實現，從低成本MCU的簡單任務到某些任務所需要的硬件加速的大量計算。我們注意到需要 FFT
、有限衝擊響應(IIR)濾波器、網絡接口
，以及隨之而來的安全功能。非對稱多處理逐漸成為提供足夠計算能力並保持實時和後台任務相互隔離最好的方法。

 

jisuanhuanjingyijingcongzhongduanqudongdeluojinshudaimakuozhandaofuzahuanjinggongzuofuzai，zhejuyouhenduonanyichulideshishirenwu，yijimouxietongxinxiangguandebeijingrenwu，qizhongdeyixiehuiyougongyewangluoshixianyaoqiu。zhemefuzadexuqiuxuyaocaiyongRTOS。我們看到安全要求內核可信。不論是在FPGA中實現還是采用基於單元的技術實現，我們的小電機控製器都是一種很好的異構多核SoC。