面向現場 三相永磁無刷電機的技術研究

2020-12-08 電子發燒友

面向現場 三相永磁無刷電機的技術研究

工程師之餘 發表於 2018-10-08 11:39:00

下一代電機控制器設計

BAE Systems Avionics 公司設計和製造軍事電子和監視系統。為了保持競爭力，航空電子部門不斷*估新工具和技術，用於減少新技術的設計生產間隔時間。我們在實驗室裡把時間用在開發硬體和軟體上，這是我們持續成功的關鍵。

磁場定向控制（FOC），或者矢量控制，是一項新技術，它可以改進各種電機的轉矩- 速度特性，而我們公司的大多數產品都集成了至少一個直流電機。愛丁堡的BAE Systems 公司伺服系統技術集團，對增加峰值功率非常有興趣，因為升級後的電機驅動器將為現有的電機提供額外的性能，並且通過在新設計中減少電機質量來節省航空產品的重量。

同時，隨著FPGA 性能的提高，我們不僅可以使用FPGA 進行電機控制，還可以進行伺服系統控制。我們使用NI 公司的產品進行快速地原型化，顯著地降低了新技術在設計早期帶來的風險。

ACEIII檔電流

FOC 技術

由傳統方波放大器驅動的電機受限於整流誤差引起的不理想的轉矩-速度特性和轉矩脈動。正弦整流解決了轉矩脈動問題，並且在低速電機上工作良好。但在速度更高時，PI 電流控制器必須提高頻率來跟蹤正弦電流，同時克服增加頻率和幅度的反電動勢問題。這將導致相位延遲，由於轉矩產生的通量沒有以90 度作用於轉子，所以會造成每安培轉矩的損失。這種影響由轉矩- 速度（TS）圖中的曲線表示。基本上，TS曲線包含兩條線，水平線是決定最大速度的電壓限制，而垂直方向是決定最大轉矩的電流限制。

我們使用FOC 來改進TS 特性。這種整流方法利用變送器將正弦電流和編碼位置變換至轉動轉子的d-q參考幀。d和q部分是直流的，所以很容易使用PI 控制器來控制它們。再對控制器輸出進行反變換，輸出正確相位和幅度的電壓波形以保持通量與轉子的90 度夾角，進而獲得最大的電流到轉矩功率轉換。

空間矢量調製和FPGA 實現

利用全數位化控制，我們可以使用空間矢量調製（SVM）來解鎖15% 以上的無負載速度。FOC 控制使得這變為可能，因為我們不再受限於母線電壓/2的經典整流限制了。SVM的三角特性遵循30度、60 度和90 度三角和1、2 及邊長，將相對關係改為母線電壓/。從這個比例，我們可以計算出母線電壓/2 除以母線電壓/ 等於1.1547，或者說15% 的增加。

傳統的FPGA控制算法實現伴隨著巨大的風險，因為第一次的物理實現會持續服役到產品設計周期的結束。通過使用NI LabVIEW FPGA Module 軟體進行快速控制器原型化，我們甚至可以在開始FPGA設計前就開始測試和進一步開發實際的硬體。

我們使用含有定點宏塊集的數學模型工具包來仿真FPGA的數學功能，進行算法的開發。我們可以迅速用G代碼來重寫定點算法，並且在NI公司的PXI 平臺或CompactRIO 可重配置控制和採集平臺上運行。在編譯過程中，硬體描述語言（HDL）的生成、邏輯分析、HDL 仿真以及擺放和布線操作都是完全自動化的。VHDL 代碼通過PXI 機箱的背板，下載到NI PXI-7831R 的Virtex VC2V1000 中。PXI-7831R 提供了8個16位的模數轉換器、8個16位的數模轉換器以及96個電晶體-電晶體邏輯I/O 管腳，用於使用內插式終端卡進行快捷的硬體連接。調試也很容易，因為我們可以從任意的FPGA寄存器中讀取數據，並且在運行NI LabVIEW 的主機上顯示結果，而不影響FPGA 的運行。

快速系統組件原型化

我們用於研究新型技術的快速原型化系統包括了裝有運行LabVIEW 軟體的NI PXI 嵌入式控制器的PXI 機箱和PXI-7831R 可重配置I/O 模塊。我們使用LabVIEW 圖形化開發環境、LabVIEWFPGA 模塊來開發所有的系統部件。正如上面描述的那樣，我們直接在主機的LabVIEW環境中對PXI-7831R FPGA進行配置和編程。編譯後的LabVIEW 代碼可以直接下載到FPGA 中。在主機的Windows作業系統下運行的LabVIEW 軟體，提供了系統監測和視覺化功能，這些也是使用LabVIEW 進行開發的。

通過使用NI 公司的PXI-7831R FPGA，我們使用最少的時間和儀器投資，向客戶演示了新技術。在沒有VHDL學習經歷的情況下，我們創建了40kHz的實時控制器， 遠遠超出了以前使用的單點I/O的性能。

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