永磁同步馬達(pmsm)通常用于高效能、低功耗的馬達驅(qū)動。高效能馬達控制的特征為可在整個速度范圍內(nèi)平穩(wěn)旋轉，零速度時有完全的扭矩(torque)控制，且能達到快速加速和減速。為了達到上述要求，pmsm采用向量控制技術，該技術通常還被稱為磁場定向控制(foc)技術。向量控制演算法的基本思路是將一個定子電流分解為磁場生成的分量和扭矩生成的分量，分解后，這兩個分量能單獨進行控制；而馬達控制器(亦即向量控制控制器)的結構幾乎與一個他勵直流馬達(dc motor)相同，這樣便簡化了pmsm的控制程序。

扭矩生成定理

pmsm的電磁扭矩分別由定子及轉子兩個磁場交互作用生成。定子磁場由磁通量或定子電流表示，轉子磁場由恒定的永久磁鐵(弱磁情況除外)的磁通量表示。若將這兩個磁場比喻為兩個條形磁鐵，則可以想像當磁鐵互相垂直時，吸引/排斥磁鐵的力是最大的。這意味著，設計人員應該要依此定理控制定子電流，也就是要創(chuàng)建垂直于轉子磁場的定子向量。轉子旋轉時，也就必須更新定子電流，使定子磁通向量與轉子磁鐵保持90度垂直。

當定子和轉子磁場垂直時，內(nèi)嵌式pmsm的電磁扭矩方程式為：扭矩=33pppmiqs(pp為磁極對的數(shù)目，pm為永久磁鐵的磁通，iqs則為交軸的電流幅值。)當磁場垂直時，電磁扭矩與q軸電流的幅值成正比。微控制器(mcu)須調(diào)節(jié)定子相電流強度，同時調(diào)節(jié)相位/角度，但這不像直流馬達控制那樣容易達成。

簡化電流控制 創(chuàng)造最佳foc效能

直流馬達控制很簡單，因為其所有受控的量都是穩(wěn)定狀態(tài)的直流電(dc)值，而且電流相位/角度受機械換向器的控制；但在pmsm領域中，要如何才能實現(xiàn)磁場定向控制技術？

dc值/角度控制

首先，須知道轉子的位置，其常常與a相有關。我們可使用絕對位置感測器(如解析器)或相對位置感測器(如編碼器)，并處理所謂的「對齊」。對齊過程中，將轉子與a相軸線對齊，如此一來a相軸線與直軸(勵磁分量所在軸)就對齊。在這種狀態(tài)中，轉子位置設為0；亦即，構建靜態(tài)電壓向量，令所需的電壓在d軸，位置設為0，這導致定子磁場吸引轉子，并將直軸與a相軸線對齊。三相量可通過clarke變換轉換成等效的二相量。接著，再透過park變換將兩相靜止參照系中的量轉換成兩相旋轉坐標系中的直流量，這期間要用到轉子位置。

轉子的電氣位置是轉子的機械位置再乘以極對數(shù)pp。經(jīng)過一系列控制之后，設計人員應當在馬達端子上生成三相交流電壓，因此所需/生成電壓的直流值應當通過反park/clarke變換進行轉換。

幅值控制

所有變數(shù)現(xiàn)在都是直流值，可以輕松控制，但是要如何控制它們的幅值呢？對于幅值控制，建議使用級聯(lián)結構的pi控制器，且可以像直流馬達那樣控制許多狀態(tài)量，如相電流(扭矩環(huán))、轉速和位置。

foc步驟

首先，須測量馬達的相電流，并使用clarke變換將它們轉換為兩相系統(tǒng)，及計算轉子位置角；接著，再使用park變換將定子電流轉換為d、q坐標系統(tǒng)上；此時，定子電流扭矩(isq)分量和磁通量(isd)生成分量由控制器單獨控制；最后，透過逆向park變換，輸出定子電壓空間向量從d、q坐標系轉換回兩相靜止坐標系，并使用空間向量調(diào)制，生成三相輸出電壓。

無感測器控制

設計人員需要轉子的位置資訊，才能高效地控制永磁同步馬達，然而在一些應用中于傳動軸上安裝轉子位置感測器，會降低整個系統(tǒng)的耐用性和可靠性。因此，設計人員的目標不是使用這個機械感測器直接測量位置，而是利用一些間接的技術估算轉子位置。

低速時，須高頻率注入或開環(huán)啟動(效率不高)等特殊技術來啟動馬達并使之達到某一個轉速，在這個轉速下對于反電動勢觀測器來說，反電動勢已足夠。通常，5%的基本速度足以使無感測器模式正常運行。

中/高速時，使用d/q參照系中的反電動勢觀測器。內(nèi)部脈寬調(diào)變(pwm)頻率和控制環(huán)路頻率必需夠高，才能獲得合理數(shù)量的相電流和直流母線電壓的樣本。反電動勢觀測器的計算要求乘累加、除法、正弦/余弦(sin/cos)、開方等數(shù)學計算，適合使用基于安謀國際(arm)內(nèi)核的kinetis mcu或power architecture系列的數(shù)位訊號控制器(dsc)。

弱磁控制

超過馬達額定轉速的作業(yè)要求，pwm逆變器提供的輸出電壓高于直流母線電壓所限制的輸出能力。要克服速度限制，可實施弱磁演算法。負的d軸給定電流將提高速度范圍，但由于定子電流的限制，可得到的最大扭矩會相對地降低。在同樣的直流母線電壓限制下，控制d軸電流可以起到弱化轉子磁場的效果，這降低了反電動勢電壓，允許更高的定子電流流入馬達。

pmsm/mcu相輔相成 提升工業(yè)機器人自由度

機器人已開始在工廠自動化處理中發(fā)揮著重要作用，其代替工人進行焊接、涂裝、裝配等可藉由機器人達到更經(jīng)濟、快速和準確完成標準的常規(guī)作業(yè)。以下將從馬達控制角度介紹系統(tǒng)描述和需求。

無論是線性的還是鉸接式的機器人架構配置，大部分應用都要求高精度的機械臂運動。因此，馬達控制策略采用位置控制環(huán)路，其中實際位置由位置感測器捕獲，通常增量編碼器或絕對編碼器的解析度都非常高。機器人系統(tǒng)的自由度(dof)，即移動關節(jié)數(shù)與所使用的馬達數(shù)是相等的，因此dof的值越高，每個馬達的位移精準度要求就越高，因為每個馬達產(chǎn)生的位置誤差是相乘的。在這些應用中，需要具有數(shù)以百萬計脈沖的編碼器。與焊接或銑削數(shù)控機床相比，沖孔或鉆孔數(shù)控機床的刀具夾的位置控制要求較低，因為焊接或銑削數(shù)控機床的關節(jié)運動必須精確地同步進行，才能保持所需的運動軌跡。

以銑削數(shù)控機床的例子而言，機床控制結構的頂層是數(shù)控機床主控制器，通常須要使用多內(nèi)核的mcu，它必須執(zhí)行的任務和服務，包括人機介面/顯示器應當能夠輸入、顯示并編輯整個數(shù)控程式；系統(tǒng)管理器監(jiān)控并指揮其他mcu，處理系統(tǒng)異常情況和中斷訊號，存儲數(shù)控控制程式、刀具校準和刀具補償參數(shù)，以及不同用戶的補償和其他設置；以及運動軸控制處理器解析數(shù)控程式并計算位置指令，將這些指令內(nèi)插到各種坐標系統(tǒng)，并將消息發(fā)送給指定的馬達控制器。

從周邊設備要求來看，mcu應當能夠處理各種工業(yè)通訊協(xié)議，包含大容量的片內(nèi)記憶體且無需特定的馬達控制外設模組。

馬達控制層的需求與上層不同。使用單顆mcu可能不會滿足每種情況下的需求，因此需要一顆額外監(jiān)控安全的mcu。除通訊外，主mcu執(zhí)行馬達控制演算法并處理特定驅(qū)動器的故障狀態(tài)。

馬達控制演算法包括位置/速度/電流(扭矩)控制環(huán)路的計算。片上非易失性記憶體的最佳大小在數(shù)十kb范圍內(nèi)，且mcu必需有專用的馬達控制周邊模組，包括六通道的pwm產(chǎn)生計時器、快速精確的模數(shù)轉換器以及處理編碼器訊號的介面。

有時，數(shù)控機床的主控制器和馬達控制mcu之間的通訊透過光纖匯流排來實現(xiàn)，以確保惡劣、嘈雜環(huán)境下位置資訊能夠準確傳遞。馬達控制mcu底層為功率模組，每個模組驅(qū)動一個馬達。這些還不包括具體的mcu邏輯，但能夠配備一個智慧的絕緣閘雙極性電晶體(igbt)或功率金屬氧化物半導體場效電晶體(mosfet)驅(qū)動器，它可以進行故障保護和診斷功能。功率模組測量控制演算法中所用的回饋訊號(相電流、電壓)，并通過快速通訊介面?zhèn)魉徒o馬達控制mcu。

機器人系統(tǒng)通常包含必須由mcu控制的附加元件，如自動換刀裝置和刀具冷卻控制，或者在數(shù)控車床情況中，須要主軸驅(qū)動控制。如上所述，頂層要求強勁的計算能力執(zhí)行多個任務，但并不要求特定的馬達控制周邊。目前已有廠商提供多種32位元解決方案產(chǎn)品組合，如基于單核或雙核cortex-a5/cortex-m4的vybrid控制器解決方案，或基于cortex-m4內(nèi)核的kinetisk70 mcu，以滿足上述設計需求。這些解決方案有專用馬達控制周邊模組，包括與adc同步的pwm模組，但浮點單元是不需要的，因為內(nèi)核性能足以執(zhí)行向量控制演算法。

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