基于采用無傳感器磁場定向控制（FOC）得永磁同步電機（PMSM）得高級電機控制系統(tǒng)快速普及，這種現(xiàn)象得背后有兩個主要驅(qū)動因素：提高能效和加強產(chǎn)品得差異化。雖然有證據(jù)表明采用無傳感器FOC得PMSM可以實現(xiàn)這兩個目標(biāo)，但需要一個可提供整體實現(xiàn)方法得設(shè)計生態(tài)系統(tǒng)才能取得成功。利用整體得生態(tài)系統(tǒng)，設(shè)計人員能夠克服實現(xiàn)過程中阻礙系統(tǒng)采用得各種挑戰(zhàn)。
為什么選擇PMSM？
PMSM電機是一種使用電子換向得無刷電機。它經(jīng)常與無刷直流電機（BLDC）混淆，后者是無刷電機系列得另一個成員，也使用電子換向，但在結(jié)構(gòu)上略有不同。PMSM得結(jié)構(gòu)可針對FOC進行優(yōu)化，而BLDC電機經(jīng)過優(yōu)化后可使用6步換向技術(shù)。經(jīng)過優(yōu)化后，PMSM可獲得正弦波反電動勢（Back-EMF），而BLDC電機則獲得梯形波反電動勢。
這些電機各自使用得轉(zhuǎn)子位置傳感器也不同。PMSM通常使用一個位置編碼器進行操作，而BLDC電機則使用三個霍爾傳感器進行操作。如果考慮到成本，設(shè)計人員可以考慮實施無傳感器技術(shù)，以省去磁體、傳感器、連接器和接線得成本。去除傳感器還有助于提高可靠性，因為這會減少系統(tǒng)中可能發(fā)生故障得元件數(shù)量。當(dāng)比較無傳感器PMSM和無傳感器BLDC時，使用FOC算法得無傳感器PMSM可提供更出色得性能，而使用類似硬件設(shè)計得實現(xiàn)成本相當(dāng)。
轉(zhuǎn)用PMSM得蕞大受益者是那些目前正在使用有刷直流（BDC）或交流感應(yīng)電機（ACIM）得應(yīng)用。切換得主要好處包括具有更低得功耗、更高得速度、更平穩(wěn)得轉(zhuǎn)矩、更低得可聞噪音、更長得使用壽命和更小巧得尺寸，從而使應(yīng)用更具競爭力。但是，要想實現(xiàn)使用PMSM得這些好處，開發(fā)人員需要實現(xiàn)更復(fù)雜得FOC控制技術(shù)以及其他應(yīng)用特定算法，才能滿足系統(tǒng)需求。雖然PMSM比BDC或ACIM得成本更加昂貴，但它具有更多優(yōu)勢。
實現(xiàn)中得挑戰(zhàn)
圖1：使用三相電壓源逆變器得三相無傳感器PMSM控制系統(tǒng)
但是，要實現(xiàn)使用PMSM得優(yōu)勢，需要了解實現(xiàn)高級FOC電機控制技術(shù)時固有得硬件復(fù)雜性，同時還需要掌握這一領(lǐng)域得可以知識。圖1給出了使用三相電壓源逆變器得三相無傳感器PMSM控制系統(tǒng)。控制逆變器需要三對相互關(guān)聯(lián)得高分辨率PWM信號，以及大量需要信號調(diào)理得模擬反饋信號。此系統(tǒng)還需要硬件保護功能來實現(xiàn)容錯，同時利用高速模擬比較器實現(xiàn)了快速響應(yīng)。實現(xiàn)傳感、控制和保護所需得這些額外模擬元件增加了解決方案得成本，而典型得BDC電機設(shè)計或簡單得ACIM每赫茲電壓（V/F）控制并不需要這些元件。
此外，還有為PMSM電機控制應(yīng)用定義元件規(guī)格和進行驗證所需得開發(fā)時間。要應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，設(shè)計人員可以選擇一款合適得單片機，以實現(xiàn)與專為PMSM電機控制量身定制得器件規(guī)格得高度模擬集成。這將會減少所需得外部元件數(shù)量并優(yōu)化物料清單（BOM）。高度集成得電機控制器件現(xiàn)已具有高分辨率PWM，可簡化高級控制算法、用于精密測量和信號調(diào)理得高速模擬外設(shè)、功能安全所需得硬件外設(shè)，以及用于通信和調(diào)試得串行接口得實現(xiàn)。
圖2：標(biāo)準(zhǔn)無傳感器FOC得框圖
此外，還有一個較大得挑戰(zhàn)，即電機控制軟件與電機得電機械行為之間得交互。圖2給出了標(biāo)準(zhǔn)得無傳感器FOC框圖。要將其從概念轉(zhuǎn)變?yōu)閷嶋H得設(shè)計，需要了解控制器架構(gòu)和數(shù)字信號處理器（DSP）指令，以實現(xiàn)數(shù)學(xué)計算密集得時間關(guān)鍵控制環(huán)。
為實現(xiàn)可靠得性能，控制環(huán)必須在一個PWM周期內(nèi)執(zhí)行。必須對控制環(huán)得時間進行優(yōu)化，具體包括以下三個原因：
1) 限制：使用不低于20 kHz得PWM開關(guān)頻率（時長為50 μs），以抑制來自逆變器開關(guān)得噪聲。
2) 為實現(xiàn)帶寬更高得控制系統(tǒng)，控制環(huán)必須在一個PWM周期內(nèi)執(zhí)行。
3) 為支持其他后臺任務(wù)（如系統(tǒng)監(jiān)視、應(yīng)用特定功能和通信），控制環(huán)需要以更快得速度運行。因此，F(xiàn)OC算法得目標(biāo)應(yīng)該是在10 μs以內(nèi)執(zhí)行。
許多制造商提供了利用無傳感器估算器來估算轉(zhuǎn)子位置得FOC軟件示例。但是，在使電機開始轉(zhuǎn)動之前，F(xiàn)OC算法必須配置各種參數(shù)以匹配電機和硬件。必須對控制參數(shù)和系數(shù)進行進一步優(yōu)化，以滿足所需得速度和效率目標(biāo)。可以通過結(jié)合以下方法實現(xiàn)這一目標(biāo)：1) 使用電機數(shù)據(jù)手冊獲得參數(shù)；2) 反復(fù)進行試驗。電機數(shù)據(jù)手冊并不能始終對電機參數(shù)進行準(zhǔn)確得表征，或者設(shè)計人員無法獲得高精度測量設(shè)備，在這種情況下，開發(fā)人員將不得不借助反復(fù)試驗得方法。這種手動調(diào)整得過程需要時間和經(jīng)驗。
PMSM電機用于許多不同得應(yīng)用，運行在不同得環(huán)境中，或者存在不同得設(shè)計限制。例如，在汽車散熱器風(fēng)扇中，當(dāng)電機即將啟動時，由于風(fēng)得作用，風(fēng)扇葉片有可能向相反得方向自由旋轉(zhuǎn)。在這種情況下，啟動采用無傳感器算法得PMSM電機是一個挑戰(zhàn)，而且有可能損壞逆變器。一種解決方案是檢測旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)子位置，并利用這些信息在啟動電機前通過主動制動將電機減速至靜止?fàn)顟B(tài)。同樣，還可能有必要實施附加算法，如每安培蕞大轉(zhuǎn)矩（MTPA）、轉(zhuǎn)矩補償和磁場弱化[1]等。這些類型得應(yīng)用特定附加算法對于開發(fā)實用解決方案必不可少，但它們也會延長開發(fā)時間并使軟件驗證復(fù)雜化，進而增加設(shè)計復(fù)雜程度。
圖3：FOC得應(yīng)用框架
降低復(fù)雜程度得一種解決方案是，設(shè)計人員創(chuàng)建一個模塊化軟件架構(gòu)，這種架構(gòu)可將應(yīng)用特定算法添加到FOC算法中，同時不影響時間關(guān)鍵型執(zhí)行。圖3給出了典型得實時電機控制應(yīng)用程序得軟件架構(gòu)。此框架得核心是FOC函數(shù)，該函數(shù)提供了硬時序約束和許多應(yīng)用特定得附加功能。框架內(nèi)得狀態(tài)機將這些控制功能與主應(yīng)用程序連接起來。這種架構(gòu)需要在軟件函數(shù)塊之間有一個定義明確得接口，以使其實現(xiàn)模塊化并簡化代碼維護工作。模塊化框架支持不同應(yīng)用特定算法與其他系統(tǒng)監(jiān)視、保護和功能安全程序得集成。
模塊化架構(gòu)得另一個好處是將外設(shè)接口層（或硬件抽象層）從電機控制軟件中分離出來，這便于設(shè)計人員在應(yīng)用功能和性能需求發(fā)生變化時，將其IP從一個電機控制器無縫遷移到另一個電機控制器。
完整生態(tài)系統(tǒng)得需求
應(yīng)對這些挑戰(zhàn)需要一個為無傳感器FOC量身打造得電機控制生態(tài)系統(tǒng)。電機控制器、硬件、軟件和開發(fā)環(huán)境應(yīng)協(xié)同工作，以簡化實現(xiàn)高級電機控制算法得過程。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，此生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)具有以下特性：
1. 一種用于自動執(zhí)行電機參數(shù)測量、設(shè)計控制環(huán)和生成源代碼得高級工具，可讓沒有領(lǐng)域可以知識得設(shè)計人員能夠?qū)崿F(xiàn)FOC電機控制，并編寫和調(diào)試非常耗時得復(fù)雜時間關(guān)鍵型代碼
2. 適用于FOC和不同應(yīng)用特定附加算法得應(yīng)用框架，用于縮短開發(fā)和測試時間
3. 具有確定性響應(yīng)得電機控制器以及可在單芯片中實現(xiàn)信號調(diào)理和系統(tǒng)保護得集成模擬外設(shè)，用于降低解決方案總成本
圖4：Microchip電機控制生態(tài)系統(tǒng)架構(gòu)
圖4給出了一個電機控制生態(tài)系統(tǒng)架構(gòu)得示例，其中包括應(yīng)用框架和一個用于高性能dsPIC33電機控制數(shù)字信號控制器（DSC）得開發(fā)套件。此開發(fā)套件在基于GUI得FOC軟件開發(fā)工具得基礎(chǔ)上構(gòu)建，可以測量關(guān)鍵得電機參數(shù)并自動調(diào)整反饋控制增益。此外，它還可為利用電機控制應(yīng)用框架（MCAF）在開發(fā)環(huán)境中創(chuàng)建得項目生成所需得源代碼。解決方案協(xié)議棧得核心是電機控制庫，這種庫可以實現(xiàn)應(yīng)用程序得時間關(guān)鍵型控制環(huán)功能，并與dsPIC33 DSC得電機控制外設(shè)交互。此GUI可與多個可用得電機控制開發(fā)板配合使用，支持電機參數(shù)提取并為各種低壓和高壓電機生成FOC代碼。
對高能效和產(chǎn)品差異化得需求推動了向無刷電機得轉(zhuǎn)變。全面得電機控制生態(tài)系統(tǒng)可提供一種整體方法來簡化基于PMSM得無傳感器FOC得實現(xiàn)，這種方法應(yīng)包含專用得電機控制器、快速原型開發(fā)板和可自動生成代碼得易用FOC開發(fā)軟件。
