利用完全可编程平台实现高效马达控制

碳足迹、绿色能源和气候变化屡现新闻头条，引人瞩目。为保证我们的后代有一个洁净的生活环境，我们必须立即行动起来。为此，发达国家的政府以税费的方式来降低碳排放和能源使用。由于超过半数的电力用于驱动电动马达，因此设计人员不是应该而是必须采用更加高效的马达控制与设计。

电动马达的作用就是把电能转换成为机械能，而效率则是指产生的机械能与所用的电能之比。马达的振动、发热、噪声和谐波属于各种形式的损耗，要实现高效率，就应减少这些能耗。那么有哪些设计技巧可供设计人员使用，以帮助他们实现高效率呢？

本文将介绍综合运用磁场定向控制(FOC)算法和脉冲频率调制(PFM)严密地控制马达，实现高精度与高效率。

FOC

标量控制(或者常称的电压/频率控制)是一种简单的控制方法，通过改变供电电源(电压)和提供给定子的频率来改变马达的扭矩和转速。这种方法相当简单，甚至用8/16位微处理器也能完成设计。不过，简便的设计也伴随着最大的缺陷——缺乏稳健可靠的控制。如果负载在高转速下保持恒定，这种控制方法倒是足够。但一旦负载发生变化，系统就不能快速响应，从而导致能量损失。

相比而言，FOC能够提供严格的马达控制。这种方法旨在让定子电流和磁场保持正交状态(即成90度角)，以实现最大扭矩。由于系统获得的磁场相关信息是恒定的(不论是从编码器获得，还是在无传感器工作状态下的估算)，它可以精确地控制定子电流，以实现最大机械扭矩。

一般来说FOC比较复杂，需要32位处理器和硬件加速功能。原因在于这种方法需要几个计算密集型模块，比如克拉克变换、帕克变换等，用于完成三维或二维坐标系间的相互转换，以抽取电流相对磁通的关系信息。

如图1所示，控制马达所需考虑的输入包括目标扭矩指令、供电电流和转子角。根据这些参数完成转换和计算，计算出电力电子的新驱动值。完成一个周期的FOC所需的时间被称为环路时间。不出所料，环路时间越短，系统的响应速度就越快。响应速度快的系统意味着马达能够迅速针对负载做出调整，在更短的时间周期内完成误差补偿，从而实现更加顺畅的马达运行和更高的效率。

图1：磁场定向控制可以严密地控制马达扭矩，提高效率。环路时间越短，系统响应速度越快。

一般采用嵌入式处理器实现FOC算法，环路时间介于50us到100us之间，具体取决于模型和可用的硬件。此外，还可采用软件来实现FOC，但无法保证其确定性。因此大量设计借助FPGA硬件加速，来发挥这种技术的确定性和高速处理优势。使用最先进的28nm FPGA技术，典型FOC电流环路时间为1.6us1，相对采用软件方法明显缩短。

由于加强马达控制不仅可降低噪声，而且还能提升效率和精度，因此目前大部分电流环路都采用硬件来实现，而且倾向于把速度环路和位置环路也迁移到硬件实现方案中。这种做法是可能的，因为随着数字电子电路技术的进步，单个器件拥有足够强大的运算能力。用FPGA实现的速度控制环路时间和位置控制环路时间分别为3.6us1和18us1。与传统软件方法相比这是显著的性能提升，因为传统的位置环路时间一般在毫秒级。调制

调制也是提高能效的关键模块。根据负载、性能要求和应用需求可以使用不同的调制方案，而且这些调制方案对马达控制系统的运行影响重大。调制原理图(图2)分析了我们准备在本文中评论的几种调制方案。

最基本的调制方案采用六步进调制法，这代表三相功率桥的6种可能组合(不含111和000空状态，该状态下所有开关均关断)。这种开关方法表示为六边形的6个蓝色顶点。六步进调制法对马达施加最大功率，即逆变器的输出电压与Vdc相等。

虽然输出功率大，设计实现方案简便，但如果马达要求高精度和高稳健性，则不宜采用六步进调制法。这是因为马达运行在非线性状态下，需要从一种状态(顶点)“跳跃”到另一种状态，不能平稳运行。

要让马达更平稳运行，可以使用正弦调制法。正弦调制法能够让马达平稳运行吗，虽然与六步进调制法相比这种方法略显复杂，而且在效率上也没有优势，因为逆变器的输出仅为Vdc的一半，基本上是Vdc/2=0.5Vdc。在调制原理图上，这表示为红圈的内圈。

图2: 调制原理图

为弥补正弦调制造成的损耗，空间矢量PWM(SVPWM)调制法运营而生。SVPWM可以提供1/√3 Vdc=0.5773 Vdc的电压。与正弦调制类似，SVPWM也能让马达平稳运行。在调制原理图上，这表示为红圈的外圈。图3是正弦调制法和SVPWM调制法的波形对比。

图3：正弦调制法和SVPWM调制法的波形对比

正弦调制法和空间矢量调制法均使用脉冲宽度调制(PWM)技术，一种最为常见的工业调制技术。但是脉冲宽度调