環保一直是熱門話題。為了實現低碳生活，發達國家的政府使用稅收和費用來減少碳排放和能源使用。一半以上的電力用于驅動電機，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，對電機進行嚴密控制，從而達到高精度、高效率。

磁場定向控制（FOC）算法

標量控制(或電壓/頻率控制)是一種簡單的控制方法，它通過改變提供給定子的電源(電壓)和頻率來改變電機的扭矩和速度。這種方法非常簡單，甚至可以用8/16位微處理器來設計。但是簡單的設計伴隨著大的缺陷——，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。但是一旦負載發生變化，系統無法快速響應，導致能量損失。

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

一般來說，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值。完成一個FOC周期所需的時間稱為循環時間。不出所料，循環時間越短，系統響應速度越快。快速響應系統意味著電機可以快速適應負載，在更短的時間內完成誤差補償，從而實現更平穩的電機運行和更高的效率。

圖1:磁場定向控制可以嚴密控制電機轉矩，提高效率。循環時間越短，系統響應速度越快。

FOC算法一般由嵌入式處理器實現，循環時間在50us到100us之間，具體取決于型號和可用硬件。此外，FOC可以通過軟件實現，但其確定性無法保證。因此，大量設計使用FPGA硬件加速來充分發揮該技術的確定性和高速處理優勢。使用先進的28nmFPGA技術，典型的FOC電流環路時間為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，目前大多數環路都是由硬件實現的，傾向于將速度環路和位置環路移植到硬件實現方案中。這種方法是可能的，因為隨著數字電子電路技術的發展，單個設備具有足夠強的計算能力。FPGA實現的速度控制環時間和位置控制環時間分別為3.6us1和18us1。與傳統的軟件方法相比，這是一個顯著的性能改進，因為傳統的位置循環時間通常以毫秒為單位。

調制

調制也是提高能效的關鍵模塊。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個零狀態，其中所有開關均關斷)。這種切換方法表示為六邊形的六個藍色頂點。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性狀態下運行，需要從一種狀態(頂點)到另一種狀態“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，雖然與六步進調制法相比這種方法略顯復雜，而且在效率上也沒有優勢，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）調制法運營而生。SVPWM可以提供1/√3Vdc=0.5773Vdc的電壓。與正弦調制類似，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，一種為常見的工業調制技術。但是脈沖寬度調制使用固定的調制頻率，通過改變脈沖寬度來調節對供電電壓的控制，故諧波的出現是個問題。諧波是EMI、電機振動的原因，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）進行調制。這種調制方法可以減少諧波，因諧波會分散到所有頻率上。

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。可以清楚地看到PFM可以消除第三次諧波失真。

圖4：脈沖寬度調制方案產生的諧波。諧波會導致能量損耗和電機振動。

圖5：脈沖頻率調制方案中產生的諧波可分散到所有頻譜上。看不到諧波尖峰。