環(huán)保一直是熱門(mén)話(huà)題。為了實(shí)現低碳生活，發(fā)達國家的政府使用稅收和費用來(lái)減少碳排放和能源使用。一半以上的電力用于驅動(dòng)電機，因此設計人員不應但必須采用更高效的電機控制和設計。

本文將介紹FOC算法和PFM算法的綜合應用，對電機進(jìn)行嚴密控制，從而達到高精度、高效率。

磁場(chǎng)定向控制（FOC）算法

標量控制(或電壓/頻率控制)是一種簡(jiǎn)單的控制方法，它通過(guò)改變提供給定子的電源(電壓)和頻率來(lái)改變電機的扭矩和速度。這種方法非常簡(jiǎn)單，甚至可以用8/16位微處理器來(lái)設計。但是簡(jiǎn)單的設計伴隨著(zhù)大的缺陷——，缺乏魯棒可靠的控制。如果負載在高速下保持恒定，這種控制方法就足夠了。但是一旦負載發(fā)生變化，系統無(wú)法快速響應，導致能量損失。

相比之下，FOC可以提供嚴格的運動(dòng)控制。這種方法的目的是保持定子電流和磁場(chǎng)正交(即90度角)，以獲得大扭矩。由于系統獲得的關(guān)于磁場(chǎng)的信息是恒定的(無(wú)論是從編碼器獲得的還是在無(wú)傳感器工作狀態(tài)下估計的)，所以它可以精確地控制定子電流以獲得大的機械扭矩。

一般來(lái)說(shuō)，FOC比較復雜，需要32位處理器和硬件加速功能。原因是這種方法需要幾個(gè)計算密集型模塊，如克拉克變換、帕克變換等。完成三維或二維坐標系之間的相互轉換，從而提取電流與磁通量的關(guān)系信息。

如圖1所示，要考慮用于控制電機的輸入包括目標轉矩命令、供給電流和轉子角度。根據這些參數，計算出電力電子新的驅動(dòng)值。完成一個(gè)FOC周期所需的時(shí)間稱(chēng)為循環(huán)時(shí)間。不出所料，循環(huán)時(shí)間越短，系統響應速度越快?？焖夙憫到y意味著(zhù)電機可以快速適應負載，在更短的時(shí)間內完成誤差補償，從而實(shí)現更平穩的電機運行和更高的效率。

圖1:磁場(chǎng)定向控制可以嚴密控制電機轉矩，提高效率。循環(huán)時(shí)間越短，系統響應速度越快。

FOC算法一般由嵌入式處理器實(shí)現，循環(huán)時(shí)間在50us到100us之間，具體取決于型號和可用硬件。此外，FOC可以通過(guò)軟件實(shí)現，但其確定性無(wú)法保證。因此，大量設計使用FPGA硬件加速來(lái)充分發(fā)揮該技術(shù)的確定性和高速處理優(yōu)勢。使用先進(jìn)的28nmFPGA技術(shù)，典型的FOC電流環(huán)路時(shí)間為1.6us1，明顯短于軟件方法。

由于加強電機控制不僅可以降低噪聲，還可以提高效率和精度，目前大多數環(huán)路都是由硬件實(shí)現的，傾向于將速度環(huán)路和位置環(huán)路移植到硬件實(shí)現方案中。這種方法是可能的，因為隨著(zhù)數字電子電路技術(shù)的發(fā)展，單個(gè)設備具有足夠強的計算能力。FPGA實(shí)現的速度控制環(huán)時(shí)間和位置控制環(huán)時(shí)間分別為3.6us1和18us1。與傳統的軟件方法相比，這是一個(gè)顯著(zhù)的性能改進(jìn)，因為傳統的位置循環(huán)時(shí)間通常以毫秒為單位。

調制

調制也是提高能效的關(guān)鍵模塊。根據負載、性能要求和應用要求，可以采用不同的調制方案，這些調制方案對電機控制系統的運行有很大的影響。調制示意圖(圖2)分析了我們將在本文中評論的幾種調制方案。

基本的調制方案采用六步調制法，代表三相功率橋的六種可能組合(不包括111和000個(gè)零狀態(tài)，其中所有開(kāi)關(guān)均關(guān)斷)。這種切換方法表示為六邊形的六個(gè)藍色頂點(diǎn)。六步調制向電機施加大功率，即逆變器的輸出電壓等于Vdc。

雖然輸出功率大，設計方案簡(jiǎn)單，但如果電機要求精度高，魯棒性高，就不應該采用六步調制法。這是因為電機在非線(xiàn)性狀態(tài)下運行，需要從一種狀態(tài)(頂點(diǎn))到另一種狀態(tài)“跳躍”，所以不能平穩運行。

ext-indent: 2em;"> 要讓電機更平穩運行，可以使用正弦調制法。正弦調制法能夠讓電機平穩運行嗎，雖然與六步進(jìn)調制法相比這種方法略顯復雜，而且在效率上也沒(méi)有優(yōu)勢，因為逆變器的輸出僅為Vdc的一半，基本上是Vdc/2=0.5Vdc。在調制原理圖上，這表示為紅圈的內圈。

圖2：調制原理圖

為彌補正弦調制造成的損耗，空間矢量PWM（SVPWM）調制法運營(yíng)而生。SVPWM可以提供1/√3Vdc=0.5773Vdc的電壓。與正弦調制類(lèi)似，SVPWM也能讓電機平穩運行。在調制原理圖上，這表示為紅圈的外圈。圖3是正弦調制法和SVPWM調制法的波形對比。

圖3：正弦調制法和SVPWM調制法的波形對比

正弦調制法和空間矢量調制法均使用脈沖寬度調制（PWM）技術(shù)，一種為常見(jiàn)的工業(yè)調制技術(shù)。但是脈沖寬度調制使用固定的調制頻率，通過(guò)改變脈沖寬度來(lái)調節對供電電壓的控制，故諧波的出現是個(gè)問(wèn)題。諧波是EMI、電機振動(dòng)的原因，也是一種能量損耗。

為抑制諧波，可以使用另一種調制方法，即使用脈沖頻率調制（PFM）。脈沖頻率調制可讓少量脈沖保持固定寬度，并根據所需的值按不同周期（頻率）進(jìn)行調制。這種調制方法可以減少諧波，因諧波會(huì )分散到所有頻率上。

圖4和圖5即為對PWM和PFM的FFT（快速傅里葉變換）頻率分析的對比情況?？梢郧宄乜吹絇FM可以消除第三次諧波失真。

圖4：脈沖寬度調制方案產(chǎn)生的諧波。諧波會(huì )導致能量損耗和電機振動(dòng)。

圖5：脈沖頻率調制方案中產(chǎn)生的諧波可分散到所有頻譜上?？床坏街C波尖峰。