利用DSP控制器实作马达向量控制功能

尽管感应马达在过去数十年来逐渐被采用磁场导向控制（ Field-Oriented Control；，FOC）技术的马达所取代，但目前仍有数量众多的感应马达用于各种场合，因为它们仍是未来几年内全球大规模节省能源消耗的绝佳目标。设备制造商只要采用磁场导向控制技术，就能让应用系统改用较小的马达。

磁场导向控制

磁场导向控制技术的运算量远超过传统纯量技术，这是马达控制设计工程师改用该技术时首先要考虑的设计冲击。虽然磁场导向控制算法的运算需求已超过传统微控制器能力范围，然DSP应付它们却绰绰有余。

DSP能大幅提高感应马达的效率，使其从微控制器马达常见的40％%增加至90％%。这种智能型马达还能改善功率因子，不但对电力公司是重大利多，也能让设计工程师安心使用额定马力较小的马达，不必像现在一样为了弥补低效率而采用超过实际所需的马达。

不久之前，DSP的直接控制能力仍不如微控制器，磁场导向控制技术也因此无法被广泛采用。但厂商近几年已开始为DSP增加许多外围功能，同时调整其架构以支持磁场导向控制算法的特定需求，这些措施让DSP效能变得更强大。

今日的马达控制最佳化DSP不但整合所有必要外围，还能在几微秒内执行运算量庞大的控制算法，以帮助制造商降低设备成本和耗电量。

传感器需求

磁场导向控制又称为转速或转矩控制型交流马达的向量控制技术，它是提高马达动态效能的较好方法，现正迅速获得市场广泛接受。

第一代向量控制马达是利用高精准度的转速传感器以发挥最大效能，但转速传感器会增加成本，可靠性也不理想。为了解决这些问题，业者开始发展和测试无传感器技术。

但在实际应用里，传统无传感器技术的效能却不尽理想，主要问题在于马达定子阻抗等参数会出现改变，这类参数变异会对低速或极低速运转的马达效率造成极大影响。这种现象在无传感器马达上尤其严重，已成为无传感器控制技术广泛应用的障碍。

工程取舍

设计工程师面临两难局面：高精准度传感器虽能提供精确量测结果，在恶劣环境里却不够可靠；另一方面，低成本传感器则需要更复杂的运算处理。

工业应用对于马达有着不同于一般的要求，除了低成本外，它们还必须能在恶劣环境下可靠工作。设计人员若想解决这个问题，就要采用更强大的参数估测技术以及具备讯号处理能力的运算引擎，例如新型的DSP组件。

采用强大参数估测技术以及低成本和低分辨率转速传感器的向量控制机制可在实际环境里提供高效能，为了补偿转子时间常数变动所导致的滑差频率（slip frequency）误差，厂商还发展出一套校正程序。时间常数值的不确定性属于一阶问题，它会造成向量控制系统的调整失准，这套方法则能自行确定转子的时间常数值，因此在导入设计时不必知道马达的精确参数值。

磁场导向控制的基本原理

三相马达通常会顺着定子以三分之一或更小间隔的方式安排其线圈，我们因此只要利用相位相差1/3周期的三组电压驱动这些线圈就能产生转动磁场，(图一)是它们的简单示意图。

感应电动机的转子是由一组封闭线路组成，其中以鼠笼式转子（squirrel cage rotor）的应用最广泛，它会用很厚的金属环将转子导电棒短路。每当定子磁场扫过转子时就会感应产生另一组磁场，这个磁场会与定子磁场交互作用产生(图二)所示的马达输出转矩，其强度是正比于转子和定子磁通向量的外积，这表示在特定的电动机结构下，所产生的转矩是由两个磁场向量的强度以及它们之间的夹角决定。

对设计工程师来说，前述分析最重要的结论在于，若想有效产生转矩，感应电动机的向量控制机制就必须能够估测转子磁通向量的正确角位置。

参数变异对磁场导向控制的影响

传统的顺向馈送式磁场导向系统会将负责控制磁通量和转矩的两组电流i*ds和i*qs视为输入命令，再根据转子时间常数T*r的输入参考值和输入电流值来计算滑差频率ω*slip，并以它做为系统的输入命令。

参数异动所导致的系统失调及其对于磁通量和转矩的影响可由(公式一) 表示。当感应马达处于稳定运转状态时，其输出转矩等于：

只要马达受到磁场导向控制，滑差计算器（slip calculator）又设定正确的增益值，滑差频率即可由(公式二)计算如下：

将公式二代入公式一即可得到转矩和转矩命令的线性关系式，但若马达和模型参数不吻合，滑差频率增益的计算结果就会出现错误。因此我们可在方程式公式二中引入一个称为滑差频率增益的纯量值（α）来代表这种不吻合现象，此时公式二可表示为(公式三)：

从公式一和公式三可发现，除非马达和模型参数完全吻合（α＝1），否则公式一 的非线性项就无法消去，这表示系统无法在最佳状态下工作，其动态效能也将大幅下降。

自我调校程序

在特定的转矩和转速下，定子电流最小就表示每安培电流的转矩最大。我们虽然能够根据传统方程式公式计算出多大的滑差频率才能让单位定子电流产生最大转矩，但此频率仍可能因为参数变异而出现误差。

(图三)是我们建议的控制系统，它与传统控制系统很类似，最大区别在于它增加一个调校方块（tuning block），负责调整磁场导向控制方块图中的滑差频率增益值。调校方块的最主要功能是找出正确的转子时间常数。

把公式三 (3) 代入转矩关系式中 (1)，再将结果正规化即可得到一组非常有用的特征转矩曲线：

正规化转矩TN是我们根据iqs/ids＝1.0时的磁场导向转矩所计算出的单位转矩，这些特征转矩如(图四)所示。

(图四)将正规化转矩TN表示成增益误差α的函数，其中α＝1的垂直线代表马达处于磁场导向控制状态，注意在这条直线上的转矩值是的iqs/ids的线性函数。

图四显示除非ids等于iqs，否则向量控制技术就无法让单位定子电流产生最大转矩；反过来说，只要将特定转矩和转速下的定子电流减至最小，就能让单位电流产生最大的转矩。

在图三建议的控制系统中，调校方块负责调整向量控制方块图里的滑差频率增益，这项功能的关键在于找出转子时间常数，同时确保其精确度符合要求。

调校程序开始后，速度控制器会暂停工作，改由调校方块控制马达转速，它会根据ids和iqs调整电流大小使转速保持不变，同时让d和q电流振幅相等。此步骤产生的转矩是由滑差频率增益的变动值所控制。

接下来是以线性方式调整滑差频率，使得ids和iqs在最大允许范围内改变，然后记录调整过程中出现的iqs（＝ids） 最小值和当时的滑差频率增益。

前述两个步骤都会控制转速保持不变，第二个步骤得到的滑差频率则是调校后结果。取得滑差频率增益的调校值后，需我们将调校方块与控制系统的联机切断，再把原来的转速控制器接回控制回路。接通回路前应先调整转速控制器输出以确保电流保持不变，这能避免控制系统产生任何突然动作。

除了调整滑差频率增益外，只要马达处于稳定运转状态，这套程序就能用来将单位定子电流产生的转矩调整为最大值；为避免电流饱和而导致过热等问题，调整时应确保ids不超过额定范围。

输出转矩在调整过程中必须保持不变。为了在稳态负载下提供固定输出转矩，这套算法会在马达处于低转速时将转速调整成其参考值；若马达处于高转速状态，则会计算输出转矩。但在转换状态过程中或低速运转负载出现变动时，转矩也要跟着改变以稳定转速，此时调校程序就会失效。

为了侦测马达低速运转时的任何负载变动并避免执行自我调校程序，系统只要发现计算所得的输出转矩改变超过5％就会送出暂停讯号给调校方块，使它暂停调校动作直到下一个调校周期开始为止。输出转矩可由下列(公式六)计算：

克服实作挑

如前所述，磁场导向控制算法的运算需求极大，使得实作过程既复杂又昂贵，只有当所获好处超过实作复杂性和成本的应用才会导入这项技术。然而现代数字讯号控制器的出现却改变了这种现象，它们让磁场导向控制的实作变得非常简单。

以DSP为基础的控制器提供非常强大的运算核心，例如马达控制专用的DSP就能提供高达150 MIPS的32位运算能力，设计人员可用这类组件实作参考坐标转换和控制定律等功能，同时让这些功能在高取样速率下运作，进而为系统提供超高的电流回路频宽。

高控制频宽能解决许多问题，例如快速的伺服响应时间以及精确的瞬时控制。DSP控制器独特之处在于其总线架构，它能让DSP的高效能、单周期、乘加处理核心高速传送和接收资料。

高效能DSP控制器不必使用查询表就能实时执行转子定位和转速计算。马达控制专用的先进DSP控制器通常包含重要的马达控制周边外围，例如闪存、模拟数字转换器、脉冲频宽调变（PWM)）输出以及CAN总线，这种功能整合度为体积精简的高效能驱动器设计奠定良好基础。

高效能DSP控制器需能将可将工作组态设为一组单周期32位乘加运算（MAC）资料路径或两组16位乘加器。

这种架构结合DSP效能和精准度以及高阶微控制器的弹性，其它特点还必须包括快速中断处理以及位操作和分支运算等常见控制工作的专用运算码，它们使得这类颗DSP组件特别适合多用途和多任务环境。此外，若能提供最理想的16和32位指令组合，则能在它只有在必要时使用才会用到32位指令，这种设计将让程序代码变得更精简。

已通过实际考验的整合发展环境可为这些DSP提供软件开发支持，效率极高的C语言编译器则能产生汇编语言水准的精简目的码，这些C编译器提供极高效能以及1.1的C语言对汇编语言转换比（C-to-ASM ratios），设计人员可自由思考应用系统的发展和改良，不必再担心程序执行效率的问题。

驱动器设计人员可利用这些工具发展各种新产品，并令其体积符合日益流行的精巧造型。

采用磁场导向控制技术的驱动器也为终端使用者带来许多好处，例如其体积就小于所取代的梯形换相驱动器（trapezoidal commutation drive），效率和效能也变得更高，使用者不必被迫在两者之间做出取舍。伺服驱动器制造商正在利用DSP的强大处理效能为产品增加更多功能，例如功率因子修正功能（PFC），能减轻系统整合厂商必须面对的谐波和功率因子等问题。

结果与讨论

利用DSP控制马达可以提高工作效率并增加功率因子修正功能。由于磁场导向控制需要知道转子位置，感应马达的工作环境又可能极其恶劣，甚至会随着时间而剧烈变动，因此设计人员必须能以合理成本精确求得马达在各种操作环境下的转子位置。

转子和定子时间常数是最容易受到环境影响的重要控制因素，这些常数值通常会随着时间改变；它们对于转子阻抗的变动尤为敏感，因为转子阻抗本身就会随着时间而改变。

例如转子阻抗的变动幅度在感应电动机的操作温度范围内很容易就达到50％，这种变动幅度会使得转子时间常数出现33％的变化，这表示磁场导向控制技术若不采用某种形式的自我调整功能，马达转矩最多就可能减少29％以上。

就设计观点而言，在许多想透过向量控制技术节省电力的应用中，工程师仍须使用超过实际规格所需29％的马达。虽然磁场导向控制的效能还是胜过其它设计技术，但在成本方面仍有很大的改善空间。

只要在设计中加入本文介绍的自我调校技术，就能将转矩下降幅度控制在3％到7％，这不但已在许多应用的可接受范围内，也表示感应电动机应用设计将能采用更小型和更便宜的马达，进而让客户同时享受更低成本和更高效能等优点。

（作者Hamid Toliyat、Peyman Niazi任职于Texas A&M University；Kedar Godbole任职于TI德州仪器）