環(huán)保一直是熱門(mén)話題。為了實(shí)現(xiàn)低碳生活，發(fā)達(dá)國(guó)家的政府使用稅收和費(fèi)用來(lái)減少碳排放和能源使用。一半以上的電力用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)，因此設(shè)計(jì)人員不應(yīng)但必須采用更高效的電機(jī)控制和設(shè)計(jì)。

本文將介紹FOC算法和PFM算法的綜合應(yīng)用，對(duì)電機(jī)進(jìn)行嚴(yán)密控制，從而達(dá)到高精度、高效率。

磁場(chǎng)定向控制（FOC）算法

標(biāo)量控制(或電壓/頻率控制)是一種簡(jiǎn)單的控制方法，它通過(guò)改變提供給定子的電源(電壓)和頻率來(lái)改變電機(jī)的扭矩和速度。這種方法非常簡(jiǎn)單，甚至可以用8/16位微處理器來(lái)設(shè)計(jì)。但是簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)伴隨著大的缺陷——，缺乏魯棒可靠的控制。如果負(fù)載在高速下保持恒定，這種控制方法就足夠了。但是一旦負(fù)載發(fā)生變化，系統(tǒng)無(wú)法快速響應(yīng)，導(dǎo)致能量損失。

相比之下，F(xiàn)OC可以提供嚴(yán)格的運(yùn)動(dòng)控制。這種方法的目的是保持定子電流和磁場(chǎng)正交(即90度角)，以獲得大扭矩。由于系統(tǒng)獲得的關(guān)于磁場(chǎng)的信息是恒定的(無(wú)論是從編碼器獲得的還是在無(wú)傳感器工作狀態(tài)下估計(jì)的)，所以它可以精確地控制定子電流以獲得大的機(jī)械扭矩。

一般來(lái)說(shuō)，F(xiàn)OC比較復(fù)雜，需要32位處理器和硬件加速功能。原因是這種方法需要幾個(gè)計(jì)算密集型模塊，如克拉克變換、帕克變換等。完成三維或二維坐標(biāo)系之間的相互轉(zhuǎn)換，從而提取電流與磁通量的關(guān)系信息。

如圖1所示，要考慮用于控制電機(jī)的輸入包括目標(biāo)轉(zhuǎn)矩命令、供給電流和轉(zhuǎn)子角度。根據(jù)這些參數(shù)，計(jì)算出電力電子新的驅(qū)動(dòng)值。完成一個(gè)FOC周期所需的時(shí)間稱(chēng)為循環(huán)時(shí)間。不出所料，循環(huán)時(shí)間越短，系統(tǒng)響應(yīng)速度越快。快速響應(yīng)系統(tǒng)意味著電機(jī)可以快速適應(yīng)負(fù)載，在更短的時(shí)間內(nèi)完成誤差補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)更平穩(wěn)的電機(jī)運(yùn)行和更高的效率。

圖1:磁場(chǎng)定向控制可以嚴(yán)密控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩，提高效率。循環(huán)時(shí)間越短，系統(tǒng)響應(yīng)速度越快。

FOC算法一般由嵌入式處理器實(shí)現(xiàn)，循環(huán)時(shí)間在50us到100us之間，具體取決于型號(hào)和可用硬件。此外，F(xiàn)OC可以通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，但其確定性無(wú)法保證。因此，大量設(shè)計(jì)使用FPGA硬件加速來(lái)充分發(fā)揮該技術(shù)的確定性和高速處理優(yōu)勢(shì)。使用先進(jìn)的28nmFPGA技術(shù)，典型的FOC電流環(huán)路時(shí)間為1.6us1，明顯短于軟件方法。

由于加強(qiáng)電機(jī)控制不僅可以降低噪聲，還可以提高效率和精度，目前大多數(shù)環(huán)路都是由硬件實(shí)現(xiàn)的，傾向于將速度環(huán)路和位置環(huán)路移植到硬件實(shí)現(xiàn)方案中。這種方法是可能的，因?yàn)殡S著數(shù)字電子電路技術(shù)的發(fā)展，單個(gè)設(shè)備具有足夠強(qiáng)的計(jì)算能力。FPGA實(shí)現(xiàn)的速度控制環(huán)時(shí)間和位置控制環(huán)時(shí)間分別為3.6us1和18us1。與傳統(tǒng)的軟件方法相比，這是一個(gè)顯著的性能改進(jìn)，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的位置循環(huán)時(shí)間通常以毫秒為單位。

調(diào)制

調(diào)制也是提高能效的關(guān)鍵模塊。根據(jù)負(fù)載、性能要求和應(yīng)用要求，可以采用不同的調(diào)制方案，這些調(diào)制方案對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行有很大的影響。調(diào)制示意圖(圖2)分析了我們將在本文中評(píng)論的幾種調(diào)制方案。

基本的調(diào)制方案采用六步調(diào)制法，代表三相功率橋的六種可能組合(不包括111和000個(gè)零狀態(tài)，其中所有開(kāi)關(guān)均關(guān)斷)。這種切換方法表示為六邊形的六個(gè)藍(lán)色頂點(diǎn)。六步調(diào)制向電機(jī)施加大功率，即逆變器的輸出電壓等于Vdc。

雖然輸出功率大，設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)單，但如果電機(jī)要求精度高，魯棒性高，就不應(yīng)該采用六步調(diào)制法。這是因?yàn)殡姍C(jī)在非線性狀態(tài)下運(yùn)行，需要從一種狀態(tài)(頂點(diǎn))到另一種狀態(tài)“跳躍”，所以不能平穩(wěn)運(yùn)行。

ext-indent: 2em;"> 要讓電機(jī)更平穩(wěn)運(yùn)行，可以使用正弦調(diào)制法。正弦調(diào)制法能夠讓電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行嗎，雖然與六步進(jìn)調(diào)制法相比這種方法略顯復(fù)雜，而且在效率上也沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槟孀兤鞯妮敵鰞H為Vdc的一半，基本上是Vdc/2=0.5Vdc。在調(diào)制原理圖上，這表示為紅圈的內(nèi)圈。

圖2：調(diào)制原理圖

為彌補(bǔ)正弦調(diào)制造成的損耗，空間矢量PWM（SVPWM）調(diào)制法運(yùn)營(yíng)而生。SVPWM可以提供1/√3Vdc=0.5773Vdc的電壓。與正弦調(diào)制類(lèi)似，SVPWM也能讓電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。在調(diào)制原理圖上，這表示為紅圈的外圈。圖3是正弦調(diào)制法和SVPWM調(diào)制法的波形對(duì)比。

圖3：正弦調(diào)制法和SVPWM調(diào)制法的波形對(duì)比

正弦調(diào)制法和空間矢量調(diào)制法均使用脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)，一種為常見(jiàn)的工業(yè)調(diào)制技術(shù)。但是脈沖寬度調(diào)制使用固定的調(diào)制頻率，通過(guò)改變脈沖寬度來(lái)調(diào)節(jié)對(duì)供電電壓的控制，故諧波的出現(xiàn)是個(gè)問(wèn)題。諧波是EMI、電機(jī)振動(dòng)的原因，也是一種能量損耗。

為抑制諧波，可以使用另一種調(diào)制方法，即使用脈沖頻率調(diào)制（PFM）。脈沖頻率調(diào)制可讓少量脈沖保持固定寬度，并根據(jù)所需的值按不同周期（頻率）進(jìn)行調(diào)制。這種調(diào)制方法可以減少諧波，因諧波會(huì)分散到所有頻率上。

圖4和圖5即為對(duì)PWM和PFM的FFT（快速傅里葉變換）頻率分析的對(duì)比情況。可以清楚地看到PFM可以消除第三次諧波失真。

圖4：脈沖寬度調(diào)制方案產(chǎn)生的諧波。諧波會(huì)導(dǎo)致能量損耗和電機(jī)振動(dòng)。

圖5：脈沖頻率調(diào)制方案中產(chǎn)生的諧波可分散到所有頻譜上。看不到諧波尖峰。