利用無(wú)傳感器矢量控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)超高效率電機(jī)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(gè)軸的電流無(wú)法由電壓 Vd和 Vq獨(dú)立控制。為實(shí)現(xiàn)高性能速度控制，需要運(yùn)用具有去耦前饋補(bǔ)償功能的 d 軸和 q 軸電流調(diào)整器。更多信息請(qǐng)參考圖 3：

　　為使 IPMSM的扭矩電流比最大，d 軸基準(zhǔn)電流設(shè)置為 0。q 軸基準(zhǔn)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(biāo)系的基準(zhǔn)電壓。在圖 3 所示的框圖中，用于去耦控制的前饋?lái)?xiàng) ed和 eq由下式給出：

　　正如 Boussak 所述，兩個(gè)補(bǔ)償機(jī)制(電流控制和電壓命令)對(duì)于確保穩(wěn)定和最優(yōu)控制十分重要，有助于增強(qiáng)矢量控制和弱磁通量控制。

　　EKF 以其簡(jiǎn)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(jì)方法之一。為實(shí)現(xiàn)對(duì)凸極 IPMSM的無(wú)傳感器控制，可以利用 EKF 估計(jì)速度和轉(zhuǎn)子位置。電機(jī)的線路電壓和負(fù)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(jì)的兩個(gè)幅度，二者與電機(jī)電流一起構(gòu)成狀態(tài)矢量。電機(jī)電流將是構(gòu)成輸出矢量的唯一可觀測(cè)幅度。

　　要對(duì)無(wú)傳感器 IPMSM 驅(qū)動(dòng)實(shí)施 EKF 技術(shù)，雙軸坐標(biāo)系的選擇至關(guān)重要。最佳選擇是采用隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的 d 和 q 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。但估計(jì)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(wú)傳感器速度控制不兼容。在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中可觀察到，轉(zhuǎn)子初始位置的估計(jì)誤差可能會(huì)將誤差引入實(shí)際系統(tǒng)的 EFK 處理過(guò)程中，從而引起嚴(yán)重后果。

　　對(duì)于這種情況，Boussak 建議在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系中調(diào)準(zhǔn) IPMSM控制。速度和位置僅利用定子電壓和電流測(cè)量結(jié)果來(lái)估計(jì)。基于 EKF 的觀測(cè)器使用基于定子坐標(biāo)的固定參考系 α-β 的電機(jī)模型，因此與轉(zhuǎn)子位置無(wú)關(guān)。導(dǎo)出 IPMSM在固定坐標(biāo)系中的非線性動(dòng)態(tài)模型，以完成估計(jì)器公式：

　　兩個(gè)定子電流、電機(jī)速度和位置用作系統(tǒng)狀態(tài)變量(更高級(jí)計(jì)算方案請(qǐng)參考 Boussak 的論文)。

　　諸如 Bon-Ho Bae 和 Boussak 所開(kāi)發(fā)的實(shí)現(xiàn)方法，利用無(wú)傳感器控制器的可行性將更高級(jí)模型引入實(shí)時(shí)電機(jī)控制方案。過(guò)去 2 到 4 年來(lái)，微控制器和 DSP 制造商一直積極通過(guò)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(jì)人員將無(wú)傳感器矢量控制運(yùn)用于實(shí)際的關(guān)鍵因素。

　　電機(jī)效率始于處理器

　　如今，像 ADI 公司的 Blackfin®和 SHARC®等增強(qiáng)型處理器正在將性價(jià)比提升到新的水平，使得更復(fù)雜電機(jī)控制算法的實(shí)施開(kāi)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(jī)驅(qū)動(dòng)效率提高到接近 100%。在工業(yè)領(lǐng)域，對(duì)運(yùn)行于實(shí)時(shí)模型估計(jì)器的多個(gè)觀測(cè)器模型的改善，無(wú)疑將有助于增強(qiáng)：(1) 驅(qū)動(dòng)性能;(2) 系統(tǒng)效率和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);以及 (3) 設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法。就第(3)方面而言，Matlab/Simulink 等圖形系統(tǒng)便能夠簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程，促進(jìn)新算法的開(kāi)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(jì)。圍繞內(nèi)核速度、模數(shù)轉(zhuǎn)換分辨率和存儲(chǔ)器集成進(jìn)行處理器級(jí)改善，將使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)崿F(xiàn)更高質(zhì)量和性能目標(biāo)，同時(shí)加速產(chǎn)品上市。

　　ADI 公司最近推出的 Blackfin BF50x 系列數(shù)字信號(hào)處理器，不僅大幅提升了處理性能，而且降低了價(jià)格，使得以前采用性能受限的處理器和微控制器的電機(jī)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(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以利用更先進(jìn)的算法實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)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(wú)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(jì)人員能夠?qū)崿F(xiàn)許多系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)目標(biāo)，例如：實(shí)時(shí)處理更多數(shù)據(jù)，延時(shí)更短，將處理任務(wù)集中于單個(gè)處理器進(jìn)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(dòng)電機(jī)系統(tǒng)能力實(shí)現(xiàn)突破性轉(zhuǎn)變，設(shè)計(jì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與處理器特性平衡則可實(shí)現(xiàn)更高的整體系統(tǒng)性能和效率。高性能 DSP 支持運(yùn)用現(xiàn)代控制理論完成高級(jí)系統(tǒng)建模，從而確保所有實(shí)時(shí)電機(jī)系統(tǒng)都能實(shí)現(xiàn)最佳電源和控制效率。無(wú)傳感器矢量控制的廣泛應(yīng)用勢(shì)在必行，必將加速全球提高工業(yè)設(shè)備能效和性能的進(jìn)程。