在飛思卡爾DSC中實(shí)現(xiàn)矢量控制算法

　　摘要：本文重點(diǎn)介紹永磁電機(jī)的無(wú)傳感器器矢量控制及其在飛思卡爾DSC上的實(shí)現(xiàn)。

　　在目前的電器中，高級(jí)電機(jī)控制算法通?；谑噶靠刂萍夹g(shù)，如圖1所示。使用矢量控制算法，交流感應(yīng)電機(jī)和PM同步電機(jī)的控制流程類似于單獨(dú)使用的直流電機(jī)的控制。在特殊的參考坐標(biāo)系中，定子電流可以分為由轉(zhuǎn)矩生成的電流和由磁場(chǎng)生成的電流。這些電流通過(guò)直流值表示，可以單獨(dú)進(jìn)行控制?！　?/p>

 　　矢量控制算法要求使用高速ADC測(cè)量三相電流。電流測(cè)量必須與PWM脈沖中心同步，以避免轉(zhuǎn)換噪聲，并得到一個(gè)有意義的平均電流值。通常情況下，兩相電流將同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，第三相電流通過(guò)計(jì)算得出。因此，DSC能夠一次對(duì)兩個(gè)電流進(jìn)行采樣，與PWM保持同步。三相電流被轉(zhuǎn)換為循環(huán)的d/q坐標(biāo)，其中可以單獨(dú)控制在目前的電器中，高級(jí)電機(jī)控制算法通?；谑噶靠刂萍夹g(shù)，如圖1所示。使用矢量控制算法，交流感應(yīng)電機(jī)和PM同步電機(jī)的控制流程類似于單獨(dú)使用的直流電機(jī)的控制。在特殊的參考坐標(biāo)系中，定子電流可以分為由轉(zhuǎn)矩生成的電流和由磁場(chǎng)生成的電流。這些電流通過(guò)直流值表示，可以單獨(dú)進(jìn)行控制。

　　矢量控制算法要求使用高速ADC測(cè)量三相電流。電流測(cè)量必須與PWM脈沖中心同步，以避免轉(zhuǎn)換噪聲，并得到一個(gè)有意義的平均電流值。通常情況下，兩相電流將同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，第三相電流通過(guò)計(jì)算得出。因此，DSC能夠一次對(duì)兩個(gè)電流進(jìn)行采樣，與PWM保持同步。三相電流被轉(zhuǎn)換為循環(huán)的d/q坐標(biāo)，其中可以單獨(dú)控制轉(zhuǎn)矩生成的電流和磁通生成的電流。控制系統(tǒng)包括兩個(gè)電流控制環(huán)路-一個(gè)用于轉(zhuǎn)矩(由q控制器表示)，另一個(gè)用于磁場(chǎng)-磁通(由d控制器表示)。根據(jù)這些控制器的結(jié)果，使用空間矢量調(diào)制技術(shù)計(jì)算出輸出電壓矢量，并生成對(duì)應(yīng)的逆變器補(bǔ)充PWM信號(hào)。如果電機(jī)速度超出了額定值，則必須包括一種特殊算法，能夠支持在磁場(chǎng)削弱區(qū)域運(yùn)行。即便如此，一些電機(jī)仍然具有強(qiáng)大的磁阻轉(zhuǎn)矩。為了使用這個(gè)磁阻轉(zhuǎn)矩并構(gòu)建盡可能小(且便宜)的電機(jī)，開發(fā)人員實(shí)施一種稱為最大轉(zhuǎn)矩電流比控制(MTPA)的特殊算法，該算法可充分利用磁阻轉(zhuǎn)矩。MPTA還提高了效率。單獨(dú)和獨(dú)立控制由轉(zhuǎn)矩和磁通生成的電流將實(shí)現(xiàn)高度動(dòng)態(tài)的運(yùn)行(可實(shí)現(xiàn)非常低的速度)和良好的控制。

　　要實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)墓δ埽噶靠刂扑惴ㄐ枰峁┪恢煤退俣刃畔?。在工業(yè)驅(qū)動(dòng)器中，該信息通常從機(jī)械位置/速度傳感器獲得，例如編碼器、解析器、SinCos甚至位置霍爾傳感器。對(duì)于目前的大多數(shù)電器驅(qū)動(dòng)器來(lái)說(shuō)，機(jī)械傳感器過(guò)于昂貴。在某些情況下，由于泵或壓縮機(jī)內(nèi)的機(jī)械限制，甚至很難使用傳感器。因此，電機(jī)位置和速度必須通過(guò)先進(jìn)的無(wú)傳感器算法計(jì)算得出。對(duì)于永磁同步電機(jī)的無(wú)傳感器位置計(jì)算，最有用的算法是基于電機(jī)的反電勢(shì)(Back-EMF)數(shù)學(xué)模型的計(jì)算。反電勢(shì)數(shù)學(xué)模型需要相應(yīng)的電機(jī)參數(shù)、外加電壓和電機(jī)電流。在運(yùn)行時(shí)，DSC將解析方程組，運(yùn)行數(shù)字濾波器和估算器，并計(jì)算正確運(yùn)行矢量控制算法所需的位置和速度。由于該模型基于電機(jī)反電勢(shì)電壓，而這種電壓在速度為零時(shí)會(huì)消失，顯然，該方法在速度為零或低速情況下無(wú)法提供位置和速度信息。因此，該方法需要一個(gè)專門的啟動(dòng)算法-在通常情況下，是帶有某種轉(zhuǎn)矩和電流限制的開環(huán)啟動(dòng)。

　　所有這些算法的計(jì)算都需要處理器提供較高的計(jì)算能力。要求最苛刻的是矢量控制算法的快速控制環(huán)路，其中包括相位電流重建、電流轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)計(jì)算、電流控制器、空間矢量調(diào)制以及帶有位置和速度估算器和過(guò)濾器的全反電勢(shì)觀測(cè)儀?？焖倏刂骗h(huán)路的計(jì)算必須與PWM頻率同步，通常在每個(gè)PWM脈沖上運(yùn)行-對(duì)于8-16kHz PWM是63-125微秒的周期。

　　雙電機(jī)控制需要并行計(jì)算兩個(gè)矢量控制算法。通常情況下，這兩個(gè)電機(jī)共享一個(gè)逆變器直流總線電路。為了減少直流總線電容的電流應(yīng)力，并實(shí)現(xiàn)最小的直流總線電壓紋波，這兩個(gè)電機(jī)的PWM脈沖每經(jīng)過(guò)半個(gè)PWM周期就互相進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這種PWM轉(zhuǎn)換允許實(shí)現(xiàn)交替的ADC采樣，因此兩個(gè)ADC轉(zhuǎn)換器便足夠了。然后，每個(gè)電機(jī)的無(wú)傳感器矢量控制算法的快速環(huán)路計(jì)算也可以交替進(jìn)行。