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。PMSMyouhenduozhongwaixinghetiji，shihehenduozhongyingyong

，congkaiguanmendaojiqirenshoushugongjuguanjiedeng。zaizheyilingyuzhong，tadedaoleguangfandeyingyong，zheshiyinweiqiguyoudekekaoxing、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qian90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 變(bian)換(huan)

，把(ba)扭(niu)矩(ju)信(xin)號(hao)映(ying)射(she)到(dao)電(dian)流(liu)中(zhong)，送(song)入(ru)三(san)個(ge)繞(rao)組(zu)。這(zhe)樣(yang)就(jiu)改(gai)變(bian)了(le)定(ding)子(zi)繞(rao)組(zu)所(suo)需(xu)位(wei)置(zhi)和(he)所(suo)需(xu)速(su)度(du)輸(shu)入(ru)激(ji)勵(li)信(xin)號(hao)，旋(xuan)轉(zhuan)定(ding)子(zi)磁(ci)場(chang)
，使(shi)轉(zhuan)子(zi)處(chu)於(yu)所(suo)需(xu)的(de)角(jiao)度(du)上(shang)。

 

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(kuo)Park變換
，積分評估，以及每一采樣間隔期間的反三角函數運算。

 

然(ran)而(er)
，除(chu)了(le)實(shi)驗(yan)室(shi)環(huan)境(jing)
，您(nin)不(bu)太(tai)可(ke)能(neng)獲(huo)得(de)電(dian)機(ji)特(te)性(xing)的(de)精(jing)確(que)數(shu)據(ju)
，例(li)如(ru)
，繞(rao)組(zu)阻(zu)抗(kang)和(he)電(dian)感(gan)等(deng)。不(bu)同(tong)的(de)電(dian)機(ji)有(you)不(bu)同(tong)的(de)這(zhe)類(lei)指(zhi)標(biao)，而(er)且(qie)這(zhe)些(xie)指(zhi)標(biao)還(hai)對(dui)溫(wen)度(du)和(he)老(lao)化(hua)等(deng)其(qi)他(ta)參(can)數(shu)非(fei)常(chang)敏(min)感(gan)。

 

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)，從cong轉zhuan軸zhou位wei置zhi或huo者zhe繞rao組zu電dian流liu數shu據ju中zhong提ti取qu出chu頻pin譜pu，探tan測ce和he響xiang應ying模mo塊kuai
，找zhao到dao頻pin譜pu最zui大da值zhi，確que定ding怎zen樣yang處chu理li它ta們men，還hai有you一yi個ge或huo者zhe更geng多duo的de可ke編bian程cheng陷xian波bo濾lv波bo器qi
，去qu掉diao扭niu矩ju信xin號hao中zhong的de雜za波bo頻pin率lv(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：子zi係xi統tong聯lian網wang了le。一yi個ge主zhu要yao的de轉zhuan換huan點dian是shi設she計ji中zhong增zeng加jia了le工gong業ye網wang絡luo接jie口kou。逐zhu漸jian的de，係xi統tong設she計ji人ren員yuan希xi望wang通tong過guo網wang絡luo發fa送song命ming令ling

，檢jian查zha狀zhuang態tai
，讀du取qu日ri誌zhi數shu據ju。網wang絡luo接jie口kou不bu僅jin增zeng加jia了le必bi要yao的de物wu理li層ceng和he介jie質zhi訪fang問wen硬ying件jian

，而er且qie還hai有you異yi步bu執zhi行xing的de協xie議yi棧zhan
，與yu控kong製zhi環huan的de同tong步bu采cai樣yang活huo動dong是shi異yi步bu的de。現xian在zai
，我wo們men不bu僅jin有you簡jian單dan的de中zhong斷duan觸chu發fa實shi時shi任ren務wu，還hai有you時shi間jian限xian製zhi的de兩liang項xiang任ren務wu
，一yi個ge實shi時shi的de
，一yi個ge麵mian向xiang網wang絡luo的de。在zai這zhe一yi點dian，很hen難nan不bu采cai用yongRTOS。

 

wangluofangwensuizhierlaideshirongyishoudaogongji。duilianwangkongzhixitongjinxinggongji，bulunshifouzhijielianjiehulianwang，douyoukenengshoudaoheikedegongji。meiyoujueduideanquan。xiangyingde
，jishishikanqilaibutaizhongyaodedianjikongzhiqidezixitongjinhouyeyaoshoudaobaohu。zheyiweizhe，tamenbixuyoubendirenzhengxiaoxi
，yijijiamihejiemishuju。zhetongchangbiaomingxuyaojiamijiasuqi。

 

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。