面向計(jì)算體系結(jié)構(gòu)的電機(jī)控制
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計(jì)算負(fù)載并沒有那么復(fù)雜：FOC 模塊每一采樣間隔可能是兩次三角運(yùn)算，10 次乘法，7 次加法，以及一些其他運(yùn)算來實(shí)現(xiàn) PI 控制器。所有這些算法都可以在定點(diǎn)中實(shí)現(xiàn)，需要仔細(xì)一些。采用目前的典型 16 kHz 采樣和脈沖寬度調(diào)制速率，我們并沒有降低現(xiàn)代 32 位 MCU 的整體性能。但是，不止于此。
無傳感控制
讓我們從那個(gè)轉(zhuǎn)軸編碼器開始。FOC 算法必須有精確的轉(zhuǎn)軸角度反饋。傳統(tǒng)上，這一數(shù)據(jù)來自轉(zhuǎn)軸編碼器 — 與電機(jī)轉(zhuǎn)軸連接的光機(jī)電設(shè)備。但是，編碼器提高了系統(tǒng)中每一電機(jī)的成本、體積、重量，增加了新的失效模式。它需要控制器工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口。
原理上，有足夠的定子繞組電壓和電流信息來確定轉(zhuǎn)子位置。這樣，可以實(shí)現(xiàn)無傳感工作 — 至少可以不采用轉(zhuǎn)軸編碼器，采用更多的電流傳感器和三個(gè)電壓傳感器來替代它，所有這些信號都需要精確的模數(shù)轉(zhuǎn)換。這樣，很多復(fù)雜的機(jī)械功能可以在軟件中實(shí)現(xiàn)。
就是這種想法。繞組負(fù)載上的電壓有兩個(gè)主要分量：繞組串聯(lián)電阻導(dǎo)致的IR壓降，來自繞組電感的后向 EMF。但是，后向 EMF 本身有兩個(gè)來源：繞組自身的電感，以及轉(zhuǎn)子通過繞組磁力線導(dǎo)致的漏磁通量。如果您能夠隔離電壓變化的最后部分，基本上就能夠計(jì)算出轉(zhuǎn)子角度。實(shí)際上，這樣做涉及到一些計(jì)算，包括 Park 變換，積分評估，以及每一采樣間隔期間的反三角函數(shù)運(yùn)算。
然而，除了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，您不太可能獲得電機(jī)特性的精確數(shù)據(jù)，例如，繞組阻抗和電感等。不同的電機(jī)有不同的這類指標(biāo)，而且這些指標(biāo)還對溫度和老化等其他參數(shù)非常敏感。
由此，開發(fā)人員建議了各種方案從狀態(tài)變量矩陣中提取出轉(zhuǎn)子角度。這些想法包括鎖定由轉(zhuǎn)子導(dǎo)致的電壓波紋的鎖相環(huán)，計(jì)算轉(zhuǎn)子位置的狀態(tài)估算器，將其結(jié)果與以前的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，還有最終的估算器，Kalman濾波器。與直接計(jì)算相比，這些方法至少讓計(jì)算負(fù)載增加了一倍，每一周期至少需要 30 次算術(shù)運(yùn)算。
振動控制
FOC 的優(yōu)點(diǎn)之一是能夠控制振動及其伴隨噪聲。這類測量提高了能效和機(jī)械可靠性，有可能不需要太多的機(jī)械設(shè)計(jì)。在消費(fèi)類市場上，這能夠把 600 美元的洗衣機(jī)抬高到售價(jià) 800 美元的豪華型。
原理還是那么簡單。如果振動的原因是控制環(huán)不穩(wěn)定造成的，那么您可以改變 PI 控制器的增益，使其更接近臨界阻尼。如果振動是由電機(jī)、驅(qū)動轉(zhuǎn)軸或者負(fù)載機(jī)械共振造成的，您可以通過吸收扭矩信號共振頻率功率來消除振動。比較方便的是，F(xiàn)OC 方法使您能夠在扭矩信號變成三路時(shí)變正弦信號之前訪問它，因此，增加陷波濾波器吸收共振頻率功率就可以了。
不論哪一操作 — 增加增益環(huán)還是濾除錯(cuò)誤信號，都會對系統(tǒng)動態(tài)速度和位置誤差產(chǎn)生不利影響。但是在很多應(yīng)用中，對于平滑安靜的操作，轉(zhuǎn)軸速度的瞬時(shí)誤差并不重要。
振動控制需要三種主要的處理模塊：快速傅里葉變換 (FFT)，從轉(zhuǎn)軸位置或者繞組電流數(shù)據(jù)中提取出頻譜，探測和響應(yīng)模塊，找到頻譜最大值，確定怎樣處理它們，還有一個(gè)或者更多的可編程陷波濾波器，去掉扭矩信號中的雜波頻率 (圖 3) 。
圖 3.扭矩控制器和 Park 反變換之間的可編程陷波濾波器能夠改進(jìn)系統(tǒng)的共振。
這些模塊都適合應(yīng)用。在某些系統(tǒng)中，共振是固定的，或者慢變的，F(xiàn)FT 會是啟動或者后臺任務(wù)。在共振變化很快的系統(tǒng)中，F(xiàn)FT 需要連續(xù)運(yùn)行。響應(yīng)模塊與應(yīng)用有很大的關(guān)系，確定對 PI 環(huán)路增益的調(diào)整，增加濾波器，選擇濾波器參數(shù)等，在很大程度上取決于整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)的特性。因此，在沒有詳細(xì)了解系統(tǒng)的情況下，不太可能估算振動控制所需要的計(jì)算負(fù)載。
工作堆疊
目前為止我們已經(jīng)進(jìn)行了很多工作，每一16 kHz周期可能有幾百項(xiàng)算術(shù)指令 — 還有 FFT 計(jì)算。我們所面臨的是，任務(wù)的增長已經(jīng)超出了低成本MCU的簡單中斷服務(wù)。但還有更多。
最明顯的是增加了很多電機(jī)。很多控制任務(wù)本質(zhì)上都是多軸的：例如，粉碎機(jī)的工具位置，或者全關(guān)節(jié)機(jī)器人手等。在集成級，在軸上需要共享實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等，就能夠體現(xiàn)多通道控制器的優(yōu)點(diǎn)。但是由于軸之間有很少的冗余計(jì)算，因此，更多的通道只是增加了工作負(fù)載。
還有采樣率。目前的采樣率從以前的搜索RMS位置或者速度誤差的 16 kHz 標(biāo)準(zhǔn)，增長到 100 kHz。自然的，提高采樣間隔會減少完成實(shí)時(shí)計(jì)算的時(shí)間，必須在采樣間隔期間完成實(shí)時(shí)計(jì)算。
工廠之外的變化也對控制器體系結(jié)構(gòu)帶來了壓力：子系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)了。一個(gè)主要的轉(zhuǎn)換點(diǎn)是設(shè)計(jì)中增加了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)接口。逐漸的，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員希望通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送命令，檢查狀態(tài)，讀取日志數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)接口不僅增加了必要的物理層和介質(zhì)訪問硬件，而且還有異步執(zhí)行的協(xié)議棧，與控制環(huán)的同步采樣活動是異步的?，F(xiàn)在，我們不僅有簡單的中斷觸發(fā)實(shí)時(shí)任務(wù)，還有時(shí)間限制的兩項(xiàng)任務(wù)，一個(gè)實(shí)時(shí)的，一個(gè)面向網(wǎng)絡(luò)的。在這一點(diǎn)，很難不采用 RTOS。
網(wǎng)絡(luò)訪問隨之而來的是容易受到攻擊。對聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)進(jìn)行攻擊，不論是否直接連接互聯(lián)網(wǎng)，都有可能受到黑客的攻擊。沒有絕對的安全。相應(yīng)的，即使是看起來不太重要的電機(jī)控制器的子系統(tǒng)今后也要受到保護(hù)。這意味著，它們必須有本地認(rèn)證消息，以及加密和解密數(shù)據(jù)。這通常表明需要加密加速器。
因此，這就回答了我們最初的問題。我們看到 PMSM 控制器在增加，更多的特性在軟件中實(shí)現(xiàn)，從低成本 MCU 的簡單任務(wù)到某些任務(wù)所需要的硬件加速的大量計(jì)算。我們注意到需要 FFT、有限沖擊響應(yīng) (IIR) 濾波器、網(wǎng)絡(luò)接口，以及隨之而來的安全功能。非對稱多處理逐漸成為提供足夠計(jì)算能力并保持實(shí)時(shí)和后臺任務(wù)相互隔離最好的方法。
計(jì)算環(huán)境已經(jīng)從中斷驅(qū)動的裸金屬代碼擴(kuò)展到復(fù)雜環(huán)境工作負(fù)載，這具有很多難以處理的實(shí)時(shí)任務(wù)，以及某些通信相關(guān)的背景任務(wù)，其中的一些會有工業(yè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)限要求。這么復(fù)雜的需求需要采用 RTOS。我們看到安全要求內(nèi)核可信。不論是在FPGA中實(shí)現(xiàn)還是采用基于單元的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，我們的小電機(jī)控制器都是一種很好的異構(gòu)多核SoC。
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