在飛思卡爾DSC中實現(xiàn)矢量控制算法

　　摘要：本文重點介紹永磁電機的無傳感器器矢量控制及其在飛思卡爾DSC上的實現(xiàn)。

　　在目前的電器中，高級電機控制算法通常基于矢量控制技術(shù)，如圖1所示。使用矢量控制算法，交流感應電機和PM同步電機的控制流程類似于單獨使用的直流電機的控制。在特殊的參考坐標系中，定子電流可以分為由轉(zhuǎn)矩生成的電流和由磁場生成的電流。這些電流通過直流值表示，可以單獨進行控制。　　

 　　矢量控制算法要求使用高速ADC測量三相電流。電流測量必須與PWM脈沖中心同步，以避免轉(zhuǎn)換噪聲，并得到一個有意義的平均電流值。通常情況下，兩相電流將同時進行測量，第三相電流通過計算得出。因此，DSC能夠一次對兩個電流進行采樣，與PWM保持同步。三相電流被轉(zhuǎn)換為循環(huán)的d/q坐標，其中可以單獨控制在目前的電器中，高級電機控制算法通常基于矢量控制技術(shù)，如圖1所示。使用矢量控制算法，交流感應電機和PM同步電機的控制流程類似于單獨使用的直流電機的控制。在特殊的參考坐標系中，定子電流可以分為由轉(zhuǎn)矩生成的電流和由磁場生成的電流。這些電流通過直流值表示，可以單獨進行控制。

　　矢量控制算法要求使用高速ADC測量三相電流。電流測量必須與PWM脈沖中心同步，以避免轉(zhuǎn)換噪聲，并得到一個有意義的平均電流值。通常情況下，兩相電流將同時進行測量，第三相電流通過計算得出。因此，DSC能夠一次對兩個電流進行采樣，與PWM保持同步。三相電流被轉(zhuǎn)換為循環(huán)的d/q坐標，其中可以單獨控制轉(zhuǎn)矩生成的電流和磁通生成的電流?？刂葡到y(tǒng)包括兩個電流控制環(huán)路-一個用于轉(zhuǎn)矩(由q控制器表示)，另一個用于磁場-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)計算出輸出電壓矢量，并生成對應的逆變器補充PWM信號。如果電機速度超出了額定值，則必須包括一種特殊算法，能夠支持在磁場削弱區(qū)域運行。即便如此，一些電機仍然具有強大的磁阻轉(zhuǎn)矩。為了使用這個磁阻轉(zhuǎn)矩并構(gòu)建盡可能小(且便宜)的電機，開發(fā)人員實施一種稱為最大轉(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。單獨和獨立控制由轉(zhuǎn)矩和磁通生成的電流將實現(xiàn)高度動態(tài)的運行(可實現(xiàn)非常低的速度)和良好的控制。

　　要實現(xiàn)適當?shù)墓δ?，矢量控制算法需要提供位置和速度信息。在工業(yè)驅(qū)動器中，該信息通常從機械位置/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。對于目前的大多數(shù)電器驅(qū)動器來說，機械傳感器過于昂貴。在某些情況下，由于泵或壓縮機內(nèi)的機械限制，甚至很難使用傳感器。因此，電機位置和速度必須通過先進的無傳感器算法計算得出。對于永磁同步電機的無傳感器位置計算，最有用的算法是基于電機的反電勢(Back-EMF)數(shù)學模型的計算。反電勢數(shù)學模型需要相應的電機參數(shù)、外加電壓和電機電流。在運行時，DSC將解析方程組，運行數(shù)字濾波器和估算器，并計算正確運行矢量控制算法所需的位置和速度。由于該模型基于電機反電勢電壓，而這種電壓在速度為零時會消失，顯然，該方法在速度為零或低速情況下無法提供位置和速度信息。因此，該方法需要一個專門的啟動算法-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。

　　所有這些算法的計算都需要處理器提供較高的計算能力。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)坐標計算、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濾器的全反電勢觀測儀。快速控制環(huán)路的計算必須與PWM頻率同步，通常在每個PWM脈沖上運行-對于8-16kHz PWM是63-125微秒的周期。

　　雙電機控制需要并行計算兩個矢量控制算法。通常情況下，這兩個電機共享一個逆變器直流總線電路。為了減少直流總線電容的電流應力，并實現(xiàn)最小的直流總線電壓紋波，這兩個電機的PWM脈沖每經(jīng)過半個PWM周期就互相進行轉(zhuǎn)換。這種PWM轉(zhuǎn)換允許實現(xiàn)交替的ADC采樣，因此兩個ADC轉(zhuǎn)換器便足夠了。然后，每個電機的無傳感器矢量控制算法的快速環(huán)路計算也可以交替進行。