根據美國能源局的統計，全球的能源約一半是被電機所消耗，因此如何改善電機控制系統的耗能便成為一個重要的課題。要降低電機的耗能，除了電機由交流電機走向直流無刷電機(BLDC)及電機本體的能效設計由IE1走向IE3之外，最重要的就是要有一個高性價比、高性能，且完全針對電機控制的專屬微控制器。 藉由一個針對電機控制的專屬高性能微控制器，即可實現先進的控制算法。導入先進的控制算法，除了可以讓系統達到節能之外，亦可以讓整個控制系統在無傳感器的情況下，因應負載的變化做出快速平滑的反應。傳感器的配置，會增加組件及制造成本，而且很多場合是無法放置傳感器的，例如當壓縮機內有化學物質以及一些產品因空間太小而無法放置。本文就是使用一個32位微控制器來實現先進的磁場定向控制(Field Oriented Control，FOC)、高頻電壓注入技術及空間矢量PWM(SVPWM)控制。 FOC FOC又稱矢量控制(Vector Control)，FOC發明的初衷，就在于想把交流電機的控制方式轉換成直流電機的控制方式，直流電機的控制較簡單，通過勵磁電流和轉矩電流的分別控制，即可簡單且準確地控制電機電磁轉矩。 對感應電機進行磁場和轉矩的解耦:交流異步電動機調頻時電壓不變，磁場會發生變化，調壓的時候不調頻，磁場也會發生變化，因此V/F只是一種非常粗略的控制磁場的方式，根本達不到磁場的準確控制；而FOC可以實現相對更準確的磁場控制，但是FOC需要較高運算能力的微控制器。圖1是以偉詮電子32位微控制器為基礎的FOC系統圖，而針對內環每一次的ADC中斷，進行如下動作: · 利用Clarke變換，將相電流由靜態的三相變換成靜態的兩相電流。 · 利用Park變換，將靜態的兩相電流轉換成動態的兩相電流(旋轉坐標系)。 · 利用滑動模態(Sliding Mode)控制器，計算出電機的速度及位置。 · 使用P I 控制器，針對速度及電流進行控制。 · 利用Park逆變換，將動態的兩相電流變換成靜態的兩相電流(靜止坐標系)。 · 利用Clarke逆變換，將相電流由靜態的兩相變換成靜態的三相電流。 · 更新PWM輸出占空比。 · ADC中斷結束。 高頻電壓注入估計 電機的啟動是P M S M 控制中的重要環節，PMSM的FOC系統通過施加與轉子磁場相垂直的轉矩電流來確保電機的順利啟動，但這需要獲知電機初始位置。大部分無位置傳感器控制無法預知轉子初始位置，一般采用開環啟動或者將電機定位到預定位置啟動。開環啟動因不同角度起轉，常發生的狀況有反偏、卡頓等狀況，而電機預定位要求則在很多產品中是不適用的。 針對PMSM零速/低速下的無位置傳感器控制(圖1)，為了解決低速時轉子位置和速度估算不準確的問題，一般均采用由美國威斯康辛大學的M.Corley及R.Lorenz兩位教授于1996年首先提出的高頻信號注入法，目前研究較多的是高頻電壓注入法。該方法是基于電機的凸極特性，在電機定子中注入高頻電壓信號，通過對高頻電流響應進行特定的信號處理(濾波、角度估計器)來獲得轉子位置信息。
圖1：以WT58F032為基礎的磁場定向/無感測控制系統架構圖。 按照電壓注入方式的不同，高頻電壓注入法可分為以下兩類：(1)旋轉高頻電壓注入法—在定子坐標系中注入旋轉高頻電壓信號，則高頻電流響應的負序分量中含有轉子位置信息；通過對該信號進行解調獲得電機轉子位置。(2)脈動高頻電壓注入法—在估算的旋轉坐標系注入脈動高頻電壓信號，則電流響應的高頻分量中將包含位置估算誤差；通過對該高頻電流信號的處理，使得估算位置收斂于實際位置。 空間矢量脈寬調制 空間矢量PWM (SVPWM)的工作原理是利用三組半橋逆變器，經由PWM調制電壓矢量來合成電機定子電流。此合成電流在定子線圈上產生的定子磁通矢量與轉子磁通相互作用產生轉矩，使電機旋轉。SVPWM因是以合成定子磁通矢量來決定三組半橋逆變器的切換時序，所以命名為空間矢量脈寬調制。這種調制方法是控制電壓矢量使得電機氣隙旋轉磁通矢量軌跡逼近一個理想的圓，且有最小的磁通波動，其轉矩紋波(Torque Ripple)最低，因此在開路控制的情況下，電機轉速波動亦最小。表1為電機驅動電路的三組半橋逆變器功率開關器件，因為空間矢量脈寬調制開關控制并無上下開關同時導通的定義，所以實際上可視為兩種狀態開關時序(上開關OFF、下開關ON，或上開關ON、下開關OFF)。因此，三組功率開關器件，總共可產生八種開關狀態組合。
表1：SVPWM功率開關切換狀態、線電壓、相電壓與空間矢量之關系表。 SVPWM控制系統 以偉詮電子WT58F032微控制器為基礎的SVPWM控制系統，控制流程如下: (1)主程序部分(Main Routine)。 ① WT58F032復位； ② WT58F032芯片初始化設定； ③ 電機停止運轉； ④ Check啟動信號是否為“真”—如為真”，進入初始化電機配置及使能中斷；如為“假”，則回到電機停止運轉狀態。 (2)中斷服務程序(Interrupt Service Routine)。 ① 中斷服務程序啟動； ② 輸入捕捉單元/轉子區間計算； ③ 上述“②”中計算的結果，輸出給轉速計算單元及電機相位計算單元； ④ 上述“③”中計算出來的轉速，輸出給電機相位計算單元及PID控制器； ⑤ 上述“④”中計算出來的電機相位及PID輸出給正弦波發生器，以產生正弦波。 圖2為基于WT58F032的SVPWM控制圖2：WT58F032為基礎的SVPWM控制輸出波形。輸出波形(M形狀)。由圖可看出，SVPWM的線電壓利用率相較于一般的PWM會較高，因此能達到節能的效果。
圖2：WT58F032為基礎的SVPWM控制輸出波形。 總結 偉詮電子所提出的高性價比3 2 位微控制器， 除了有高運算能力的3 2 位R ISC CPU 及內置的一個在一個指令周期就可完成32b×32b乘法運算的快速乘法器外，亦集成了針對電機控制所設計的外圍電路，包括高速ADC、高速及多模式操作PWM、PWM觸發ADC、高速比較器、QEI等。另外，考慮到工業控制的需求，此芯片支持寬壓工作(可運行于2.0V～5.5V)，且有極佳的抗噪聲能力，非常適合用在高性能電機控制系統中。 |
