【導讀】關注全球變暖、降低碳排放、綠色新能源開發逐漸上升到國家發展和國際合作的重大議題。很多國家的政府以減免稅費的方式來降低碳排放和鼓勵新能源的使用。由于超過半數的電力是用于驅動電動馬達，因此設計人員應該采用更加高效的馬達控制與設計方式，提高能源的利用效率。
電動馬達的作用就是把電能轉換成為機械能，而效率則是指產生的機械能與所用的電能之比。馬達的振動、發熱、噪聲和諧波屬于各種形式的損耗，要實現高效率，就應減少這些能耗。那么有哪些設計技巧可供設計人員使用，以幫助他們實現高效率呢？
本文將介紹綜合運用磁場定向控制(FOC)算法和脈沖頻率調制(PFM)嚴密地控制馬達，實現高精度與高效率。
FOC
標量控制(或者常稱的電壓/頻率控制)是一種簡單的控制方法，通過改變供電電源(電壓)和提供給定子的頻率來改變馬達的扭矩和轉速。這種方法相當簡單，甚 至用8/16位微處理器也能完成設計。不過，簡便的設計也伴隨著最大的缺陷——缺乏穩健可靠的控制。如果負載在高轉速下保持恒定，這種控制方法倒是足夠。 但一旦負載發生變化，系統就不能快速響應，從而導致能量損失。
相比而言，FOC能夠提供嚴格的馬達控制。這種方法旨在讓定子電流和磁場保持正交狀態(即成90度角)，以實現最大扭矩。由于系統獲得的磁場相關信息是恒定的(不論是從編碼器獲得，還是在無傳感器工作狀態下的估算)，它可以精確地控制定子電流，以實現最大機械扭矩。
一般來說FOC比較復雜，需要32位處理器和硬件加速功能。原因在于這種方法需要幾個計算密集型模塊，比如克拉克變換、帕克變換等，用于完成三維或二維坐標系間的相互轉換，以抽取電流相對磁通的關系信息。
如圖1所示，控制馬達所 需考慮的輸入包括目標扭矩指令、供電電流和轉子角。根據這些參數完成轉換和計算，計算出電力電子的新驅動值。完成一個周期的FOC所需的時間被稱為環路時間。不出所料，環路時間越短，系統的響應速度就越快。響應速度快的系統意味著馬達能夠迅速針對負載做出調整，在更短的時間周期內完成誤差補償，從而實現更 加順暢的馬達運行和更高的效率。
圖1：磁場定向控制可以嚴密地控制馬達扭矩，提高效率。環路時間越短，系統響應速度越快。
一般采用嵌入式處理器實現FOC算法，環路時間介于50us到100us之間，具體取決于模型和可用的硬件。此外，還可采用軟件來實現FOC，但無法保證其確定性。因此大量設計借助FPGA硬件加速，來發揮這種技術的確定性和高速處理優勢。使用最先進的28nm FPGA技術，典型FOC電流環路時間為1.6us1，相對采用軟件方法明顯縮短。
由于加強馬達控 制不僅可降低噪聲，而且還能提升效率和精度，因此目前大部分電流環路都采用硬件來實現，而且傾向于把速度環路和位置環路也遷移到硬件實現方案中。這種做法 是可能的，因為隨著數字電子電路技術的進步，單個器件擁有足夠強大的運算能力。用FPGA實現的速度控制環路時間和位置控制環路時間分別為3.6us1和 18us1。與傳統軟件方法相比這是顯著的性能提升，因為傳統的位置環路時間一般在毫秒級。
調制
調制也是提高能效的關鍵模塊。根據負載、性能要求和應用需求可以使用不同的調制方案，而且這些調制方案對馬達控制系統的運行影響重大。調制原理圖(圖2)分析了我們準備在本文中評論的幾種調制方案。
最基本的調制方案采用六步進調制法，這代表三相功率橋的6種可能組合(不含111和000空狀態，該狀態下所有開關均關斷)。這種開關方法表示為六邊形的6個藍色頂點。六步進調制法對馬達施加最大功率，即逆變器的輸出電壓與Vdc相等。
雖然輸出功率大，設計實現方案簡便，但如果馬達要求高精度和高穩健性，則不宜采用六步進調制法。這是因為馬達運行在非線性狀態下，需要從一種狀態(頂點)“跳躍”到另一種狀態，不能平穩運行。
要讓馬達更平穩運行，可以使用正弦調制法。正弦調制法能夠讓馬達平穩運行嗎，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/√3 Vdc=0.5773 Vdc的電壓。與正弦調制類似，SVPWM也能讓馬達平穩運行。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，一種最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、馬達振動的原因，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馬達振動。
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。
實現方案
市場上已經有用于三相馬達的磁場定向控制實現解決方案。除了實現復雜的算法，設計人員還應考慮該實現方案能否在馬達運行中在SVPWM、正弦PWM和FPM等不同調制方案間實時切換。其他需要考慮的方面有：
- 使用同一器件控制多軸
- 集成實時網絡協議和更新
- 功能安全設計
要達到本文描述的性能，可以選用Zynq-7000 All Programmable SoC。Zynq-7000 All Programmable SoC完美集成了1GHz 雙核 Cortex A9處理器子系統和FPGA架構(如圖6所示)。SoC子系統內置SPI、I2C、UART、CAN、USB、GigE MAC等常見外設和接口，以及通用存儲器接口。高帶寬AMBA AXI互聯用于處理器子系統和FPGA之間的直接連接，以實現高速數據互聯。此外，Zynq器件采用靈活的IO標準，便于連接外部器件。
圖6：Zynq-7000 All Programmable SoC由嵌入式雙核Cortex A9處理器子系統(灰色)和可編程FPGA邏輯(黃色)組成，為馬達控制提供一款終極平臺，可在軟/硬件模塊間實現無縫互操作性。
Zynq-7000 AP SoC經過精心設計，在單個芯片上即可提供一款最佳的馬達控 制平臺。Cortex A9處理器可用于運行網絡軟件協議棧、操作系統以及用戶的應用代碼。它們均以軟件方式運行，可實現對器件的總體應用管理。對于FOC算法、調制實現方案和 供工業網絡使用的定制MAC等關鍵性功能模塊，最好在FPGA架構中實現，以便發揮硬件加速和高速計算優勢。由于嵌入式處理器和FPGA架構集成在單個器 件中，可以靈活選用軟/硬件架構。
圖7：Zynq-7000上的馬達控制平臺架構樣例。網絡協議棧、軟件應用、RTOS由A9子系統負責執行。馬達控制算法、調制方案和定制MAC應布置在FPGA架構中，以獲取實時性能。
