在飛思卡爾DSC中實現矢量控制算法

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，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。三相電流被轉換為循環的d/q坐標，其中可以單獨控制轉矩生成的電流和磁通生成的電流。控制系統包括兩個電流控制環路-一個用于轉矩（由q控制器表示），另一個用于磁場-磁通（由d控制器表示）。根據這些控制器的結果，使用空間矢量調制技術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域運行。即便如此，一些電機仍然具有強大的磁阻轉矩。為了使用這個磁阻轉矩并構建盡可能小（且便宜）的電機，開發人員實施一種稱為最大轉矩電流比控制（MTPA）的特殊算法，該算法可充分利用磁阻轉矩。MPTA還提高了效率。單獨和獨立控制由轉矩和磁通生成的電流將實現高度動態的運行（可實現非常低的速度）和良好的控制。

要實現適當的功能，矢量控制算法需要提供位置和速度信息。在工業驅動器中，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。對于目前的大多數電器驅動器來說，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）數學模型的計算。反電勢數學模型需要相應的電機參數、外加電壓和電機電流。在運行時，DSC將解析方程組，運行數字濾波器和估算器，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，是帶有某種轉矩和電流限制的開環啟動。

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路，其中包括相位電流重建、電流轉換成旋轉坐標計算、電流控制器、空間矢量調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，并實現最小的直流總線電壓紋波，這兩個電機的PWM脈沖每經過半個PWM周期就互相進行轉換。這種PWM轉換允許實現交替的ADC采樣，因此兩個ADC轉換器便足夠了。然后，每個電機的無傳感器矢量控制算法的快速環路計算也可以交替進行。

作為一種可選方法，也可能需要用到功率因數校正（PFC）。根據性能要求、輸出功率和負載條件，可以實現若干種PFC技術。對于雙電機運行常見的高功率，通常使用在連續傳導模式下運行的交錯式PFC。交錯式PFC包括兩個MOSFET電源開關和兩個PFC感應器。微控制器感應輸入電流并控制電源開關，以保持輸入電流為正弦并與電網同步。PFC的典型PWM頻率范圍是50-100kHz。

先進的電機控制算法需要專用的外設功能和微控制器的CPU性能，以便同時管理兩個電機和PFC。除了這些任務外，微控制器應提供至少50%的計算時間用于執行與其他應用有關的任務。飛思卡爾MC56F84xx能夠滿足各方面的應用要求，是此類高級應用的理想選擇。

總之，由高級無傳感器算法控制的三相電機將越來越多地用于各種驅動器，包括家用電器。飛思卡爾提供了一套完整的專用數字信號控制器、豐富的工具鏈和必要的技術知識，支持在應用中實現這些復雜的控制算法，并快速、高效地實現所需的性能。

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圖1 永磁同步電機的無傳感器矢量控制