面向計算體系結構的電機控制
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起點
讓我們介紹一種在我們應用場景中處于中心位置的永磁同步電機，即 PMSM。PMSM 有很多種外形和體積，適合很多種應用，從開關門到機器人手術工具關節(jié)等。在這一領域中，它得到了廣泛的應用，這是因為其固有的可靠性、低成本，在我們的應用中，經過適當的控制，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復雜性，在軟件中實現復雜的功能。
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。真正的訣竅在于繞組的不同：轉動密度是圍繞定子呈正弦分布，因此，繞組實際上在邊緣上相互重疊。在繞組合適的相位上應用正弦電流，您能夠建立與轉子場角度垂直的旋轉磁場，從而在轉子上高效的產生扭矩。
控制 PMSM 并不是高科技。一個簡單的 MCU 使用查找表和插值來生成所需的驅動電流時變正弦信號，為繞組提供電流。如果算法正確，繞組會產生電機旋轉磁場，轉子隨之轉動。雖然起步有些復雜，但畢竟完成任務了，對吧？不完全是這樣。
圖 1. PMSM 截面
現場定位控制
開環(huán)控制的問題總是很復雜。啟動電機，特別是有負載的情況，會比較難，效率也不高。開環(huán)控制器的響應并不能很好的適應負載扭矩或者速度命令的變化，無法抑制振動。出于通常的考慮，反饋控制系統工作起來會更好一些。
問題是要控制什么。很明顯，我希望控制轉動角度 — 在某些應用中，旋轉速度。我們必須通過控制產生旋轉磁場的三個繞組電流來完成這一工作。對此最好的方法是，在業(yè)界已經應用的多路步進，即，線程定位控制 (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。由于一些很好的數學算法，我們并不需要所有三個繞組電流。這些采樣告訴我們轉子以及定子旋轉磁場的瞬時位置和滯后速度。我們的工作是控制轉子的速度和位置，這通過控制定子繞組的電流大小來實現，同時還要讓旋轉磁場比轉子磁場超前 90 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。矢量的方向相對于定子是固定的，當然，其矢量和是旋轉磁場矢量。Clarke 變換只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) 系數。
現在，我們可以控制信號。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制轉子位置和速度，定子磁通量實際上產生了扭矩。
例如，控制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) 控制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 模塊然后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，然后，通過 Clarke反 變換，把扭矩信號映射到電流中，送入三個繞組。這樣就改變了定子繞組所需位置和所需速度輸入激勵信號，旋轉定子磁場，使轉子處于所需的角度上。
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