簡介

高性能伺服電機的特點是需要平穩旋轉到失速，完全控制失速時的扭矩以及快速的加速和減速。過去，變速驅動器主要采用直流電機，因為它們具有出色的可控性。然而，現代高性能電動機驅動系統通常基于三相交流電動機，例如交流感應電動機（ACIM）或永磁同步電動機（PMSM）。這些機器已經取代了直流電機作為苛刻的伺服電機應用的首選機器，因為它們結構簡單，慣性小，輸出功率重量比高，在高速旋轉時具有良好的性能。

現在已經很好地建立了矢量控制原理來控制這些交流電機;現在大多數現代高性能驅動器都采用數字閉環電流控制。在這樣的系統中，可實現的閉環帶寬與計算密集型矢量控制算法和相關矢量旋轉可以實時實現的速率直接相關。由于這種計算負擔，許多高性能驅動器現在使用數字信號處理器（DSP）來實現嵌入式電機和矢量控制方案。 DSP固有的計算能力可以實現非常快的周期時間和閉環電流控制帶寬（在2到4 kHz之間）。

這些機器的完整電流控制方案也需要高 - 精密脈沖寬度調制（PWM）電壓生成方案和高分辨率模數（A / D）轉換（ADC），用于測量電機電流。為了保持平穩控制扭矩到零速，轉子位置反饋對于現代矢量控制器至關重要。因此，許多系統包括轉子位置傳感器，例如旋轉變壓器和增量編碼器。我們在此描述實現三相交流電機高性能控制器（如ADMC401）背后的基本原理 - 集成DSP控制器，強大的DSP內核，靈活的PWM生成，高分辨率A / D轉換，和嵌入式編碼器接口。

交流電機的變速控制

三相交流電機的高效變速控制需要生成具有可變頻率的平衡三相可變電壓組。可變頻率電源通常通過使用功率半導體器件（通常為MOSFET或IGBT）作為固態開關從直流轉換產生。常用的轉換器配置如圖1（a）所示。它是一個兩級電路，其中固定頻率的50或60 Hz交流電源首先被整流，以提供存儲在直流鏈路電容器中的直流鏈路電壓Vd。然后將該電壓提供給逆變器電路，該逆變器電路為電動機產生可變頻率的交流電。逆變器電路中的電源開關允許電機端子連接到Vd或地。這種操作模式提供了高效率，因為理想情況下，開關在打開和關閉位置都沒有損耗。

通過快速順序打開和關閉六個開關（圖1a），三相可以在輸出端子處合成具有平均正弦波形的交流電壓。實際輸出電壓波形是脈沖寬度調制（PWM）高頻波形，如圖1b所示。在使用固態開關的實際逆變器電路中，可以實現大約20kHz的高速開關，并且可以在非常高的頻率下產生復雜的PWM波形，其中所有電壓諧波分量都是如此。遠高于所需的基頻 - 名義上在0到250 Hz的范圍內。

電機的感抗隨頻率的增加而增加，因此高次諧波電流非常小，并且接近正弦電流在定子繞組中流動。如圖1b所示，通過使用適當的控制器改變PWM波形來調節逆變器的基波電壓和輸出頻率。在控制基波輸出電壓時，PWM過程不可避免地會修改輸出電壓波形的諧波含量。正確選擇調制策略可以最大限度地降低諧波電壓及其相關的諧波效應和電機中的高頻損耗。

a。用于驅動三相交流電機的電源轉換器的典型配置。

b。為電機生成可變電壓，變頻電源的典型PWM波形。

脈沖寬度調制（PWM）生成

在典型的交流電機控制器設計中，兩者都是在產生PWM信號的過程中涉及硬件和軟件考慮，最終用于打開或關閉三相逆變器中的功率器件。在典型的數字控制環境中，控制器以PWM開關頻率（標稱值為10至20 kHz）產生定時定時中斷。在中斷服務程序中，控制器軟件計算用于驅動逆變器三個支路中每個支路的PWM信號的新占空比值。計算的占空比取決于電機的測量的狀態（扭矩和速度）和期望的運行狀態。占空比逐周期調整，以使電機的實際運行狀態符合所需的軌跡。

一旦處理器計算出所需的占空比值，就需要一個專用的硬件PWM發生器來確保在下一個PWM和控制器周期產生PWM信號。 PWM生成單元通常由適當數量的定時器和比較器組成，這些定時器和比較器能夠產生非常精確的定時信號。通常，期望產生PWM定時波形的10至12位性能。 ADMC401的PWM生成單元的邊緣分辨率為38.5 ns，對應于開關頻率為10 kHz時的大約11.3位分辨率。 ADMC401的專用PWM生成單元產生的典型PWM信號如圖2所示，用于逆變器支路A.圖中，AH是用于驅動逆變器支路A的高端功率器件的信號，AL用于驅動低端電源設備。占空比有效地調整施加到電機的平均電壓，以實現所需的控制目標。

通常，關閉一個電源設備之間需要一個小的延遲（說AL）并打開互補電源設備（AH）。需要此死區時間以確保關閉設備有足夠的時間在其他設備打開之前重新獲得其阻塞功能。否則可能導致直流電壓短路。 ADMC401的PWM生成單元包含用于自動死區時間插入PWM信號的必要硬件。

三相交流電機控制器的一般結構

對任何電動機驅動過程的精確控制最終可以減少到精確控制電動機的轉矩和速度的問題。通常，通過使用適當的換能器測量電動機的速度或位置來直接控制電動機速度，并且通過適當控制電動機相電流間接控制轉矩。圖3顯示了用于三相電機的典型同步框架電流控制器的框圖。該圖還顯示了軟件代碼模塊與電機控制器（如ADMC401）的專用電機控制外設之間的任務比例。控制器由兩個比例加積分加差分（PID）電流調節器組成，用于控制參考系中的電機電流矢量，該參考系與測量的轉子位置同步旋轉。

有時可能需要在電壓和速度之間實現去耦，從而消除速度依賴性和相關軸與控制回路的交叉耦合。然后使用合適的脈沖寬度調制策略（例如空間矢量調制（SVM））在逆變器上合成參考電壓分量。還可以采用一些補償方案來克服逆變器開關死區時間，有限逆變器設備導通電壓和直流鏈路電壓紋波的失真影響。

這兩個組成部分定子電流矢量稱為直軸和正交軸組件。直軸電流控制電機磁通，通常用永磁電機控制為零。然后可以通過調節正交軸分量直接控制電動機轉矩。快速，精確的轉矩控制對于高性能驅動至關重要，以確保在所有負載條件下快速加速和減速以及平滑旋轉至零速度。

通過以下方式獲得實際的直流和正交電流分量首先使用片上ADC系統，使用合適的電流感應傳感器測量電機相電流并將其轉換為數字電流。通常只需同時采樣兩個電機線路電流就足夠了：由于三個電流之和為零，必要時可以從其他兩個電流的同時測量推斷出第三個電流。

控制器軟件利用數學矢量變換（稱為駐車變換），確保在所有運行條件下，應用于電機的三相電流組與電機軸的實際旋轉同步。這種同步確保電動機始終產生每安培的最佳扭矩，即以最佳效率運行。矢量旋轉需要實時計算測量的轉子角度的正弦和余弦，以及多次乘法和累加運算。總的控制環路帶寬取決于閉環控制計算的實施速度以及新的占空比值的計算結果。 26-MIPS，16位定點DSP內核固有的快速計算能力使其成為這些嵌入式電機控制應用的理想計算引擎。

模數轉換要求

< p>為了控制高性能交流伺服驅動器，需要對測量電流值進行快速，高精度，同步采樣的A / D轉換。伺服驅動器具有額定運行范圍 - 它們可以連續維持的特定功率水平，電機和功率轉換器的溫升可以接受。伺服驅動器還具有峰值額定值 - 能夠在短時間內處理遠遠超過額定電流的電流。例如，可以在短時間內施加高達額定電流的六倍。這允許瞬時施加大扭矩，非常快速地加速或減速驅動器，然后恢復到正常操作的連續范圍。這也意味著在驅動器的正常操作模式下，僅使用總輸入范圍的一小部分。

在秤的另一端，為了實現平穩和精確的旋轉在這些機器中需要，補償小的偏移和非線性是明智的。在任何電流傳感器電子設備中，模擬信號處理通常受到增益和偏移誤差的影響。例如，在用于不同繞組的電流測量系統之間可能存在增益不匹配。這些效果結合在一起產生不希望的扭矩振蕩。為了滿足這兩種相互矛盾的分辨率要求，現代伺服驅動器使用12至14位A / D轉換器，具體取決于應用所需的成本/性能折衷。

系統的帶寬基本上受輸入信息然后執行計算所需的時間量的限制。轉換需要很多微秒的A / D轉換器會在系統中產生無法容忍的延遲。閉環系統的延遲會降低系統可實現的帶寬，帶寬是這些高性能驅動器中最重要的品質因數之一。因此，快速模數轉換是這些應用的必要條件。

這些應用中使用的A / D轉換器的第三個重要特性是 timing 。除了高分辨率和快速轉換之外，還需要同步采樣。在任何三相電機中，必須在完全相同的時間測量電機三個繞組中的電流，以便獲得機器中扭矩的瞬時“快照”。任何時間偏斜（不同電流的測量之間的時間延遲）是通過測量手段人為插入的誤差因子。這種非理想性直接轉化為轉矩波動 - 這是一種非常不理想的特性。

集成在ADMC401中的ADC系統提供快速（6 MSPS），高分辨率（12- bit）ADC內核集成了雙采樣和保持放大器，可以同時采樣兩個輸入信號。 （如前所述，這允許計算第三電流的同時值。）ADC內核是高速流水線閃存架構。可以轉換總共8個模擬輸入通道，接受附加的系統或反饋信號以用作控制算法的一部分。這種集成性能水平代表了用于高性能應用的嵌入式DSP電機控制器的最新技術。

位置感應＆amp;編碼器接口單元

通常，電機位置通過使用安裝在轉子軸上的編碼器來測量。增量編碼器產生一對正交輸出（A＆amp; B），每個輸出在電機軸的每轉中具有大量脈沖。對于具有1024行的典型編碼器，兩個信號每轉產生1024個脈沖。使用專用的正交計數器，可以對A和B信號的上升沿和下降沿進行計數，這樣轉子軸的一次旋轉可以分成4096個不同的值。換句話說，1024線編碼器允許將轉子位置測量為12位分辨率。旋轉方向也可以從正交信號A和B的相對相位推斷出來。

通常在電機控制器上有一個專用的編碼器接口單元（EIU）;它管理雙正交編碼器輸出信號的轉換，以產生并行數字字，始終代表實際的轉子位置。通過這種方式，DSP控制軟件可以在算法需要時簡單地讀取實際的轉子位置。

這一切都很好，但是成本敏感的伺服電機驅動器種類越來越多具有較低性能要求的應用既不能承受轉子位置傳感器的成本也不能滿足空間要求。在這些情況下，可以使用估計的而不是測量的轉子位置來實現相同的電機控制算法。

DSP內核能夠使用復雜的轉子位置估算算法計算轉子位置，例如擴展卡爾曼估算器，可通過測量電機電壓和電流來提取轉子位置的估計值。這些估算器依賴于DSP中足夠精確的電機模型的實時計算。通常，這些無傳感器算法可以與中等到高速旋轉的基于傳感器的算法一樣工作。但隨著電機速度的降低，從電壓和電流測量中提取可靠的速度相關信息變得更加困難。通常，無傳感器電機控制主要適用于壓縮機，風扇和泵等應用，不需要在零或低速下連續運行。

結論

現代DSP三相交流電機的控制在市場上繼續蓬勃發展，無論是在成熟的工業自動化市場還是在家用電器，辦公自動化和汽車市場的新興市場。對這些機器進行有效且經濟的控制需要在硬件和軟件之間進行適當的平衡，以便時間關鍵的任務（例如PWM信號的生成或轉子位置傳感器的實時接口）由專用硬件單元管理。另一方面，使用DSP內核的快速計算能力，最好在軟件中處理電機的整體控制算法和新電壓指令的計算。與舊硬件解決方案相比，在軟件中實施控制解決方案具有易于升級，可重復性和可維護性的所有優勢。所有電機控制解決方案還需要集成合適的A / D轉換系統，以便快速準確地測量電機的反饋信息。 ADC系統的分辨率，轉換速度和輸入采樣結構需要嚴格針對特定應用的要求。