利用無傳感器矢量控制技術(shù)實現(xiàn)超高效率電機控制

　　由于 d 軸和 q 軸之間存在交叉耦合效應(yīng)，如圖 2 所示，因此兩個軸的電流無法由電壓 Vd和 Vq獨立控制。為實現(xiàn)高性能速度控制，需要運用具有去耦前饋補償功能的 d 軸和 q 軸電流調(diào)整器。更多信息請參考圖 3：

　　為使 IPMSM的扭矩電流比最大，d 軸基準電流設(shè)置為 0。q 軸基準電流從速度調(diào)整器的速度誤差獲得，如圖 3 所示。電流調(diào)整器的輸出提供旋轉(zhuǎn)坐標系的基準電壓。在圖 3 所示的框圖中，用于去耦控制的前饋項 ed和 eq由下式給出：

　　正如 Boussak 所述，兩個補償機制(電流控制和電壓命令)對于確保穩(wěn)定和最優(yōu)控制十分重要，有助于增強矢量控制和弱磁通量控制。

　　EKF 以其簡單、最佳、易控制和穩(wěn)定可靠，成為應(yīng)用最廣泛的非線性系統(tǒng)跟蹤和估計方法之一。為實現(xiàn)對凸極 IPMSM的無傳感器控制，可以利用 EKF 估計速度和轉(zhuǎn)子位置。電機的線路電壓和負載扭矩均為系統(tǒng)矢量輸入變量。速度和轉(zhuǎn)子位置是需要估計的兩個幅度，二者與電機電流一起構(gòu)成狀態(tài)矢量。電機電流將是構(gòu)成輸出矢量的唯一可觀測幅度。

　　要對無傳感器 IPMSM 驅(qū)動實施 EKF 技術(shù)，雙軸坐標系的選擇至關(guān)重要。最佳選擇是采用隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的 d 和 q 旋轉(zhuǎn)坐標系。但估計器的輸入矢量(電流和電壓)取決于轉(zhuǎn)子位置，所以這種方案與IPMSM無傳感器速度控制不兼容。在實現(xiàn)過程中可觀察到，轉(zhuǎn)子初始位置的估計誤差可能會將誤差引入實際系統(tǒng)的 EFK 處理過程中，從而引起嚴重后果。

　　對于這種情況，Boussak 建議在轉(zhuǎn)子坐標系中調(diào)準 IPMSM控制。速度和位置僅利用定子電壓和電流測量結(jié)果來估計?；?EKF 的觀測器使用基于定子坐標的固定參考系 α-β 的電機模型，因此與轉(zhuǎn)子位置無關(guān)。導(dǎo)出 IPMSM在固定坐標系中的非線性動態(tài)模型，以完成估計器公式：

　　兩個定子電流、電機速度和位置用作系統(tǒng)狀態(tài)變量(更高級計算方案請參考 Boussak 的論文)。

　　諸如 Bon-Ho Bae 和 Boussak 所開發(fā)的實現(xiàn)方法，利用無傳感器控制器的可行性將更高級模型引入實時電機控制方案。過去 2 到 4 年來，微控制器和 DSP 制造商一直積極通過新型嵌入式處理器提供足夠的性能和必要的功能，這是確保設(shè)計人員將無傳感器矢量控制運用于實際的關(guān)鍵因素。

　　電機效率始于處理器

　　如今，像 ADI 公司的 Blackfin®和 SHARC®等增強型處理器正在將性價比提升到新的水平，使得更復(fù)雜電機控制算法的實施開始受到大規(guī)模應(yīng)用解決方案的青睞。利用這些處理器，更好的控制器和控制方案可以將電機驅(qū)動效率提高到接近 100%。在工業(yè)領(lǐng)域，對運行于實時模型估計器的多個觀測器模型的改善，無疑將有助于增強：(1) 驅(qū)動性能;(2) 系統(tǒng)效率和拓撲結(jié)構(gòu);以及 (3) 設(shè)計的實現(xiàn)方法。就第(3)方面而言，Matlab/Simulink 等圖形系統(tǒng)便能夠簡化設(shè)計流程，促進新算法的開發(fā)。借助這些工具，并與執(zhí)行處理器相結(jié)合，顯然能夠?qū)崿F(xiàn)更復(fù)雜的設(shè)計。圍繞內(nèi)核速度、模數(shù)轉(zhuǎn)換分辨率和存儲器集成進行處理器級改善，將使設(shè)計人員能夠?qū)崿F(xiàn)更高質(zhì)量和性能目標，同時加速產(chǎn)品上市。

　　ADI 公司最近推出的 Blackfin BF50x 系列數(shù)字信號處理器，不僅大幅提升了處理性能，而且降低了價格，使得以前采用性能受限的處理器和微控制器的電機控制應(yīng)用，也能享用 DSP 水平的性能。借助這種處理性能，電機系統(tǒng)設(shè)計人員可以利用更先進的算法實現(xiàn)更強的系統(tǒng)功能和更高精度，精確判定轉(zhuǎn)軸位置和速度，這樣系統(tǒng)就無需位置和速度傳感器。

　　Blackfin BF50x 系列就是上述片內(nèi)集成度提高的典范，它集成的器件包括用于精密數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和精確建模的高分辨率 ADC，以及用于加速算法處理的閃存，二者均有利于減少片外器件并降低系統(tǒng)整體成本。這些處理器提供性能與片內(nèi)集成度的最佳融合，使得設(shè)計人員能夠?qū)崿F(xiàn)許多系統(tǒng)級設(shè)計目標，例如：實時處理更多數(shù)據(jù)，延時更短，將處理任務(wù)集中于單個處理器進行，以及更靈活地優(yōu)化系統(tǒng)接口和控制能力。

　　如今，新技術(shù)正在推動電機系統(tǒng)能力實現(xiàn)突破性轉(zhuǎn)變，設(shè)計拓撲結(jié)構(gòu)與處理器特性平衡則可實現(xiàn)更高的整體系統(tǒng)性能和效率。高性能 DSP 支持運用現(xiàn)代控制理論完成高級系統(tǒng)建模，從而確保所有實時電機系統(tǒng)都能實現(xiàn)最佳電源和控制效率。無傳感器矢量控制的廣泛應(yīng)用勢在必行，必將加速全球提高工業(yè)設(shè)備能效和性能的進程。