以綠色能源為動力核心正在逐漸成為越來越多科技產(chǎn)品的目標(biāo)。半數(shù)以上電機采用都是電力驅(qū)動，所以電機對電能的使用和轉(zhuǎn)化率覺得了對電能的消耗，設(shè)計人員必須尋找一種方式來使電機達(dá)到最高效的電力利用。
電動機的作用就是把電能轉(zhuǎn)換成為機械能，而效率則是指產(chǎn)生的機械能與所用的電能之比。電機的振動、發(fā)熱、噪聲和諧波屬于各種形式的損耗，要實現(xiàn)高效率，就應(yīng)減少這些能耗。那么有哪些設(shè)計技巧可供設(shè)計人員使用，以幫助他們實現(xiàn)高效率呢?
本文將介紹綜合運用磁場定向控制(FOC)算法和脈沖頻率調(diào)制(PFM)嚴(yán)密地控制電機，實現(xiàn)高精度與高效率。
FOC
標(biāo)量控制(或者常稱的電壓/頻率控制)是一種簡單的控制方法，通過改變供電電源(電壓)和提供給定子的頻率來改變電機的扭矩和轉(zhuǎn)速。這種方法相當(dāng)簡單，甚至用8/16位微處理器也能完成設(shè)計。不過，簡便的設(shè)計也伴隨著最大的缺陷——缺乏穩(wěn)健可靠的控制。如果負(fù)載在高轉(zhuǎn)速下保持恒定，這種控制方法倒是足夠。但一旦負(fù)載發(fā)生變化，系統(tǒng)就不能快速響應(yīng)，從而導(dǎo)致能量損失。
相比而言，F(xiàn)OC能夠提供嚴(yán)格的電機控制。這種方法旨在讓定子電流和磁場保持正交狀態(tài)(即成90度角)，以實現(xiàn)最大扭矩。由于系統(tǒng)獲得的磁場相關(guān)信息是恒定的(不論是從編碼器獲得，還是在無傳感器工作狀態(tài)下的估算)，它可以精確地控制定子電流，以實現(xiàn)最大機械扭矩。
一般來說FOC比較復(fù)雜，需要32位處理器和硬件加速功能。原因在于這種方法需要幾個計算密集型模塊，比如克拉克變換、帕克變換等，用于完成三維或二維坐標(biāo)系間的相互轉(zhuǎn)換，以抽取電流相對磁通的關(guān)系信息。
如圖1所示，控制電機所需考慮的輸入包括目標(biāo)扭矩指令、供電電流和轉(zhuǎn)子角。根據(jù)這些參數(shù)完成轉(zhuǎn)換和計算，計算出電力電子的新驅(qū)動值。完成一個周期的FOC所需的時間被稱為環(huán)路時間。不出所料，環(huán)路時間越短，系統(tǒng)的響應(yīng)速度就越快。響應(yīng)速度快的系統(tǒng)意味著電機能夠迅速針對負(fù)載做出調(diào)整，在更短的時間周期內(nèi)完成誤差補償，從而實現(xiàn)更加順暢的電機運行和更高的效率。
圖1：磁場定向控制可以嚴(yán)密地控制電機扭矩，提高效率。環(huán)路時間越短，系統(tǒng)響應(yīng)速度越快。
一般采用嵌入式處理器實現(xiàn)FOC算法，環(huán)路時間介于50us到100us之間，具體取決于模型和可用的硬件。此外，還可采用軟件來實現(xiàn)FOC，但無法保證其確定性。因此大量設(shè)計借助FPGA硬件加速，來發(fā)揮這種技術(shù)的確定性和高速處理優(yōu)勢。使用最先進(jìn)的28nm FPGA技術(shù)，典型FOC電流環(huán)路時間為1.6us1，相對采用軟件方法明顯縮短。
由于加強電機控制不僅可降低噪聲，而且還能提升效率和精度，因此目前大部分電流環(huán)路都采用硬件來實現(xiàn)，而且傾向于把速度環(huán)路和位置環(huán)路也遷移到硬件實現(xiàn)方案中。這種做法是可能的，因為隨著數(shù)字電子電路技術(shù)的進(jìn)步，單個器件擁有足夠強大的運算能力。用FPGA實現(xiàn)的速度控制環(huán)路時間和位置控制環(huán)路時間分別為3.6us1和18us1。與傳統(tǒng)軟件方法相比這是顯著的性能提升，因為傳統(tǒng)的位置環(huán)路時間一般在毫秒級。
