到2035年，全球每年將消耗超過(guò)35萬(wàn)億千瓦小時(shí)的電力，從2015年的不足21萬(wàn)億千瓦時(shí)增加到現(xiàn)在所需的近三分之一的電能，用于工業(yè)生產(chǎn)。這些電機(jī)中的許多都基于簡(jiǎn)單的交流電設(shè)計(jì)，因?yàn)樗鼈兂杀鞠鄬?duì)較低并且易于驅(qū)動(dòng)。在能源使用方面它們的效率也很低，特別是在低速情況下。但是，這種交流電機(jī)本質(zhì)上并不浪費(fèi)。采用正確的電子控制形式，其效率可以顯著提高。使用當(dāng)今可用的控制技術(shù)，可以將給定工作水平的能耗降低多達(dá)60％。

      目前使用的最簡(jiǎn)單的控制技術(shù)是每赫茲伏特。這在概念上既簡(jiǎn)單又容易在基本的微控制器上實(shí)現(xiàn)。核心算法充分利用了交流電機(jī)設(shè)計(jì)的核心特性。每個(gè)電機(jī)都有一個(gè)特性磁化電流和一個(gè)最終的磁通量和轉(zhuǎn)矩。這些屬性通過(guò)伏特每赫茲比率相關(guān)。電機(jī)通過(guò)布置在移動(dòng)轉(zhuǎn)子周圍的定子線圈的轉(zhuǎn)換來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械負(fù)載。線圈之間的切換迫使轉(zhuǎn)子的磁化元件同情地轉(zhuǎn)動(dòng)到磁場(chǎng)保持平衡的穩(wěn)定狀態(tài)。


      線圈切換頻率的增加反過(guò)來(lái)會(huì)提高速度。但是，如果供應(yīng)的電能沒(méi)有相應(yīng)增加，則施加的轉(zhuǎn)矩會(huì)下降。伏特每赫茲的控制提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，通過(guò)增加線路電壓來(lái)提高頻率，使扭矩可以保持在一個(gè)恒定的水平。不幸的是，這種關(guān)系在低速下不是特別一致。需要更高的電壓以在低速下保持高轉(zhuǎn)矩，但效率下降并增加了線圈飽和和過(guò)熱的可能性。

      磁場(chǎng)定向控制提供了一種優(yōu)化電機(jī)控制的方法，特別是在低速情況下，并且還可以使電機(jī)的定位控制更精確。這增加了整個(gè)交流電機(jī)的應(yīng)用范圍，這有助于降低工業(yè)機(jī)械的成本以及運(yùn)營(yíng)成本。

      在磁場(chǎng)定向或磁通矢量控制中，速度和扭矩之間的關(guān)系由伏特每赫茲控制所打破。磁場(chǎng)定向控制的思想可以用直流電機(jī)的模型來(lái)表達(dá)，其中提供給定子和轉(zhuǎn)子的電流是獨(dú)立的。在這個(gè)模型中，扭矩和產(chǎn)生的流量可以獨(dú)立控制。由電流產(chǎn)生的電機(jī)組內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)決定了磁通量。提供給轉(zhuǎn)子中的電磁線圈的電流控制轉(zhuǎn)矩 - 當(dāng)磁場(chǎng)試圖使自己進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)。

      直流電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子上使用換向器，該換向器執(zhí)行控制定子上的哪些線圈在任何時(shí)間都被激勵(lì)的工作。換向器的設(shè)計(jì)使得電流切換到機(jī)械對(duì)齊的繞組，從而在該點(diǎn)產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩。結(jié)果，繞組的管理方式使得磁通量變化，以保持轉(zhuǎn)子繞組與定子中產(chǎn)生的磁場(chǎng)正交。

      在交流電機(jī)中，只有定子電流受到直接控制。轉(zhuǎn)子通常使用永磁體來(lái)提供其領(lǐng)域。這意味著通量和扭矩依賴于相同的電流。但是，面向場(chǎng)的控制提供了幾乎獨(dú)立操縱它們的能力。實(shí)際上，定子磁通被動(dòng)態(tài)地控制以提供獨(dú)立操縱轉(zhuǎn)矩的能力。通常，定子線圈可以被驅(qū)動(dòng)，以便它們或者產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩或者沿著定子軸施加力，這是一種不影響旋轉(zhuǎn)的模式。這些方向分別是正交軸和直接軸。為了運(yùn)動(dòng)，每個(gè)線圈依次被驅(qū)動(dòng)以產(chǎn)生高正交力。

      幾個(gè)數(shù)學(xué)變換被用來(lái)提供改變電流和電壓的能力來(lái)解耦扭矩和通量。在磁場(chǎng)定向控制下，流過(guò)定子不同部分的電流由矢量表示。矩陣投影將三相時(shí)間和速度相關(guān)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為兩個(gè)坐標(biāo)時(shí)間不變系統(tǒng)。通常使用分別表示通量和轉(zhuǎn)矩分量的符號(hào)d和q來(lái)描述坐標(biāo)。在（d，q）參考系中，施加的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)矩分量呈線性關(guān)系。

      在磁場(chǎng)定向控制下，從電機(jī)接收電信號(hào)并將其結(jié)合到（d，q）坐標(biāo)模型中。該模型通常相對(duì)于轉(zhuǎn)子進(jìn)行計(jì)算，使得計(jì)算所需流量更加容易。用于計(jì)算的典型方法是對(duì)Clarke和Park變換進(jìn)行配對(duì)。

      克拉克變換將來(lái)自不同相位的電流（通常為三個(gè)），并用它們來(lái)估計(jì)笛卡爾坐標(biāo)系中的電流。這些系統(tǒng)的軸使用符號(hào)α和β而不是傳統(tǒng)的x和y來(lái)減少與空間坐標(biāo)系混淆的可能性。然后將這些應(yīng)用于Park變換以提供在旋轉(zhuǎn)（d，q）坐標(biāo)系中看到的當(dāng)前矢量。三角函數(shù)提供了轉(zhuǎn)換的核心，需要使用微控制器或數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）。

      通過(guò)Clarke和Park變換，（d，q）空間中的電流矢量的磁通量和轉(zhuǎn)矩分量是從饋送給每個(gè)電相位的電流和轉(zhuǎn)子磁通位置獲得的，其在大部分描述中采用符號(hào)theta算法。這種結(jié)構(gòu)適用于一系列電機(jī)。逆帕克變換被用來(lái)產(chǎn)生電壓輸出，然后用于控制三相中的每一個(gè)的功率的算法中。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

      用于磁場(chǎng)定向控制的變換和控制塊的基本配置的圖像

圖1：用于磁場(chǎng)定向控制的變換和控制塊的基本配置。

      通過(guò)簡(jiǎn)單地改變磁通基準(zhǔn)和獲得轉(zhuǎn)子磁通位置，可以使用相同的磁芯結(jié)構(gòu)來(lái)控制同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)。在同步永磁電機(jī)中，轉(zhuǎn)子磁通是固定的，因?yàn)樗捎来朋w確定。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)需要?jiǎng)?chuàng)建轉(zhuǎn)子磁通才能起作用，所以這被作為非零值并入到磁通參考中。

      磁場(chǎng)定向控制成功的關(guān)鍵是實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)子磁通位置。這種控制策略是復(fù)雜的。在交流感應(yīng)電機(jī)內(nèi)部，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與驅(qū)動(dòng)其旋轉(zhuǎn)的磁通量的速度不匹配。轉(zhuǎn)子傾向于滯后，導(dǎo)致差異被稱為滑動(dòng)速度。在以前的方案中，電機(jī)制造商使用傳感器來(lái)分析轉(zhuǎn)子位置，但這會(huì)導(dǎo)致不必要的額外成本。在實(shí)踐中，可以使用電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的電壓和電流的反饋來(lái)補(bǔ)償滑差。

      許多系統(tǒng)使用測(cè)量的反電動(dòng)勢(shì)來(lái)估計(jì)轉(zhuǎn)子打滑。反電動(dòng)勢(shì)電壓的大小與轉(zhuǎn)子的速度成正比。但是，直接使用此輸入會(huì)導(dǎo)致速度低或停頓時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題，并且估計(jì)初始位置并不容易。從未知的轉(zhuǎn)子位置開始，可能會(huì)導(dǎo)致電機(jī)意外地反轉(zhuǎn)一小段距離，或?qū)е码姍C(jī)完全啟動(dòng)失敗。簡(jiǎn)單采樣反電動(dòng)勢(shì)的另一個(gè)缺點(diǎn)是它對(duì)定子電阻的敏感性，定子電阻容易隨溫度而變化。

      基于間接模型的方案提供更高的性能。計(jì)算開銷和性能之間存在很大的折衷，但總的來(lái)說(shuō)，通過(guò)使用更復(fù)雜的基于模型的算法可以提高效率，特別是在低速下。基于間接模型的方案基于可用的傳感器讀數(shù)來(lái)估計(jì)這些方案的實(shí)時(shí)值。

      與反電動(dòng)勢(shì)估算一樣，核心問(wèn)題是確定電動(dòng)機(jī)的起點(diǎn)。一種解決方案是從初始狀態(tài)的估計(jì)開始，根據(jù)該初始狀態(tài)可以導(dǎo)出預(yù)測(cè)輸出的向量，將其與測(cè)量的輸出向量進(jìn)行比較。這個(gè)差別用于修正模型的內(nèi)部狀態(tài)向量。但是，噪音會(huì)破壞模型的穩(wěn)定性。

      擴(kuò)展卡爾曼濾波器可以補(bǔ)償噪聲和突發(fā)干擾的影響。卡爾曼濾波器的體系結(jié)構(gòu)使得被認(rèn)為具有較低不確定性的更新被賦予比被估計(jì)具有較大不確定性的更高的權(quán)重。濾波器遞歸地工作，使得每個(gè)估計(jì)僅需要一組新的讀數(shù)和濾波器的先前狀態(tài)以產(chǎn)生新的狀態(tài)。

      卡爾曼濾波器采用兩個(gè)主要階段：預(yù)測(cè)和更新。在預(yù)測(cè)階段，濾波器根據(jù)先前的狀態(tài)計(jì)算系統(tǒng)的下一個(gè)狀態(tài)，在運(yùn)動(dòng)算法的情況下，該狀態(tài)提供最后已知的速度和加速度值。由此，過(guò)濾器計(jì)算當(dāng)前位置的預(yù)測(cè)。

      在更新階段，將新采樣的電壓和電流值與其預(yù)測(cè)值進(jìn)行比較。輸入數(shù)據(jù)越接近預(yù)測(cè)，錯(cuò)誤概率越低。該誤差概率反饋到卡爾曼濾波器增益中。在算法級(jí)別，卡爾曼濾波器依賴于一些矩陣乘法和倒置。因此，在電機(jī)控制中實(shí)施擴(kuò)展卡爾曼濾波器的關(guān)鍵在于高算術(shù)性能，這與場(chǎng)定向控制的其他方面一致。

      為了在實(shí)時(shí)電機(jī)控制情況下實(shí)現(xiàn)每秒所需的許多算術(shù)運(yùn)算，需要高性能的MCU或DSP。德州儀器（TI）生產(chǎn)的TMS320F2833x系列器件專為處理交流電機(jī)應(yīng)用的典型計(jì)算負(fù)載而開發(fā)，并由各種片上外設(shè)提供支持，以幫助與電源轉(zhuǎn)換電子器件集成。

      TMS320F2833x采用高性能32位CPU構(gòu)建，支持浮點(diǎn)運(yùn)算，符合單精度算術(shù)的IEEE754標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)實(shí)現(xiàn)符合IEEE標(biāo)準(zhǔn)的浮點(diǎn)單元，TMS320F2833x簡(jiǎn)化了算法開發(fā)，因?yàn)樗幚淼臄?shù)字范圍非常寬，并且內(nèi)置了對(duì)非數(shù)字（NaN）和零除條件等錯(cuò)誤的支持。與雙16&TImes;16乘法累加（MAC）單元相結(jié)合的哈佛架構(gòu)為矩陣和基于投影的操作提供了高吞吐量。為了獲得更高的精度，單元可以連接在一起以執(zhí)行32 x 32 MAC。片上外設(shè)包括一個(gè)16通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），用于對(duì)電機(jī)的電壓和電流反饋信號(hào)進(jìn)行采樣。

      作為C2000系列DSP增強(qiáng)型MCU的成員，TMS320F2833x得到了TI數(shù)字電機(jī)控制庫(kù)的支持，該庫(kù)提供了可重復(fù)使用的可配置軟件模塊，以實(shí)施各種控制策略。該庫(kù)由表示為塊的功能組成，除了用于閉環(huán)操作的控制塊外，還提供諸如Clarke和Park之類的變換，以及用于諸如脈寬調(diào)制（PWM）等功能的外圍驅(qū)動(dòng)器。

      在電機(jī)控制情況下，PWM輸出控制六個(gè)功率晶體管，它們共同為三個(gè)電相提供電壓和電流。每個(gè)階段使用半橋晶體管配置。在這些情況下用于控制的常用算法是空間矢量PWM。與簡(jiǎn)單的PWM技術(shù)相比，這減少了諧波，并采用八個(gè)開關(guān)狀態(tài)。有六個(gè)活動(dòng)狀態(tài)和兩個(gè)零狀態(tài)，每個(gè)狀態(tài)都是八個(gè)相應(yīng)空間矢量的目標(biāo)狀態(tài)。這些狀態(tài)以這樣的方式排列，即任何時(shí)候兩組互補(bǔ)狀態(tài)都是有效的。一組用于三個(gè)高端功率晶體管，另一組用于低端。該算法循環(huán)通過(guò)狀態(tài)以根據(jù)場(chǎng)定向控制模型的要求將功率切換到狀態(tài)。TMS320F2833x包含適用于采用空間矢量切換的軟件控制的PWM硬件。18個(gè)總PWM輸出中的6個(gè)支持高精度控制，分辨率為150 ps。其結(jié)果是一個(gè)數(shù)字控制器，需要相對(duì)較少的外部硬件來(lái)管理功率晶體管，如圖2所示。

      F2833x PWM輸出控制電源相位的框圖

圖2：框圖，顯示了F2833x的PWM輸出對(duì)功率相位的控制。

結(jié)論
      利用具有必要核心和高性能構(gòu)建模塊的微控制器以及TI數(shù)字電機(jī)控制庫(kù)，設(shè)計(jì)人員準(zhǔn)備推出新一代高效交流電機(jī)。
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