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借力多核MCU-编码器 PMSM助工业机器人精准位移

  永磁同步马达(PMSM)通常用于高效能、低功耗的马达驱动。高效能马达控制的特征为可在整个速度范围内平稳旋转,零速度时有完全的扭矩(Torque)控制,且能达到快速加速和减速。为了达到上述要求,PMSM采用向量控制技术,该技术通常还被称为磁场定向控制(FOC)技术。向量控制演算法的基本思路是将一个定子电流分解为磁场生成的分量和扭矩生成的分量,分解后,这两个分量能单独进行控制;而马达控制器(亦即向量控制控制器)的结构几乎与一个他励直流马达(DCMotor)相同,这样便简化了PMSM的控制程序。

  扭矩生成定理

  PMSM的电磁扭矩分别由定子及转子两个磁场交互作用生成。定子磁场由磁通量或定子电流表示,转子磁场由恒定的永久磁铁(弱磁情况除外)的磁通量表示。若将这两个磁场比喻为两个条形磁铁,则可以想像当磁铁互相垂直时,吸引/排斥磁铁的力是最大的。这意味着,设计人员应该要依此定理控制定子电流,也就是要创建垂直于转子磁场的定子向量。转子旋转时,也就必须更新定子电流,使定子磁通向量与转子磁铁保持90度垂直。

  当定子和转子磁场垂直时,内嵌式PMSM的电磁扭矩方程式为:扭矩=33ppPMIqs(pp为磁极对的数目,PM为永久磁铁的磁通,Iqs则为交轴的电流幅值。)当磁场垂直时,电磁扭矩与q轴电流的幅值成正比。微控制器(MCU)须调节定子相电流强度,同时调节相位/角度,但这不像直流马达控制那样容易达成。

  简化电流控制创造最佳FOC效能

  直流马达控制很简单,因为其所有受控的量都是稳定状态的直流电(DC)值,而且电流相位/角度受机械换向器的控制;但在PMSM领域中,要如何才能实现磁场定向控制技术?

  DC值/角度控制

  首先,须知道转子的位置,其常常与A相有关。我们可使用绝对位置感测器(如解析器)或相对位置感测器(如编码器),并处理所谓的「对齐」。对齐过程中,将转子与A相轴线对齐,如此一来A相轴线与直轴(励磁分量所在轴)就对齐。在这种状态中,转子位置设为0;亦即,构建静态电压向量,令所需的电压在d轴,位置设为0,这导致定子磁场吸引转子,并将直轴与A相轴线对齐。三相量可通过Clarke变换转换成等效的二相量。接着,再透过Park变换将两相静止参照系中的量转换成两相旋转坐标系中的直流量,这期间要用到转子位置。

  转子的电气位置是转子的机械位置再乘以极对数pp。经过一系列控制之后,设计人员应当在马达端子上生成三相交流电压,因此所需/生成电压的直流值应当通过反Park/Clarke变换进行转换。

  幅值控制

  所有变数现在都是直流值,可以轻松控制,但是要如何控制它们的幅值呢?对于幅值控制,建议使用级联结构的PI控制器,且可以像直流马达那样控制许多状态量,如相电流(扭矩环)、转速和位置。

  FOC步骤

  首先,须测量马达的相电流,并使用Clarke变换将它们转换为两相系统,及计算转子位置角;接着,再使用Park变换将定子电流转换为d、q坐标系统上;此时,定子电流扭矩(isq)分量和磁通量(isd)生成分量由控制器单独控制;最后,透过逆向Park变换,输出定子电压空间向量从d、q坐标系转换回两相静止坐标系,并使用空间向量调制,生成三相输出电压。

  无感测器控制

  设计人员需要转子的位置资讯,才能高效地控制永磁同步马达,然而在一些应用中于传动轴上安装转子位置感测器,会降低整个系统的耐用性和可靠性。因此,设计人员的目标不是使用这个机械感测器直接测量位置,而是利用一些间接的技术估算转子位置。

  低速时,须高频率注入或开环启动(效率不高)等特殊技术来启动马达并使之达到某一个转速,在这个转速下对于反电动势观测器来说,反电动势已足够。通常,5%的基本速度足以使无感测器模式正常运行。

  中/高速时,使用d/q参照系中的反电动势观测器。内部脉宽调变(PWM)频率和控制环路频率必需够高,才能获得合理数量的相电流和直流母线电压的样本。反电动势观测器的计算要求乘累加、除法、正弦/余弦(sin/cos)、开方等数学计算,适合使用基于安谋国际(ARM)内核的KinetisMCU或PowerArchitecture系列的数位讯号控制器(DSC)。

  弱磁控制

  超过马达额定转速的作业要求,PWM逆变器提供的输出电压高于直流母线电压所限制的输出能力。要克服速度限制,可实施弱磁演算法。负的d轴给定电流将提高速度范围,但由于定子电流的限制,可得到的最大扭矩会相对地降低。在同样的直流母线电压限制下,控制d轴电流可以起到弱化转子磁场的效果,这降低了反电动势电压,允许更高的定子电流流入马达。

  PMSM/MCU相辅相成提升工业机器人自由度

  机器人已开始在工厂自动化处理中发挥着重要作用,其代替工人进行焊接、涂装、装配等可藉由机器人达到更经济、快速和准确完成标准的常规作业。以下将从马达控制角度介绍系统描述和需求。

  无论是线性的还是铰接式的机器人架构配置,大部分应用都要求高精度的机械臂运动。因此,马达控制策略采用位置控制环路,其中实际位置由位置感测器捕获,通常增量编码器或绝对编码器的解析度都非常高。机器人系统的自由度(DOF),即移动关节数与所使用的马达数是相等的,因此DOF的值越高,每个马达的位移精准度要求就越高,因为每个马达产生的位置误差是相乘的。在这些应用中,需要具有数以百万计脉冲的编码器。与焊接或铣削数控机床相比,冲孔或钻孔数控机床的刀具夹的位置控制要求较低,因为焊接或铣削数控机床的关节运动必须精确地同步进行,才能保持所需的运动轨迹。

  以铣削数控机床的例子而言,机床控制结构的顶层是数控机床主控制器,通常须要使用多内核的MCU,它必须执行的任务和服务,包括人机介面/显示器应当能够输入、显示并编辑整个数控程式;系统管理器监控并指挥其他MCU,处理系统异常情况和中断讯号,存储数控控制程式、刀具校准和刀具补偿参数,以及不同用户的补偿和其他设置;以及运动轴控制处理器解析数控程式并计算位置指令,将这些指令内插到各种坐标系统,并将消息发送给指定的马达控制器。

  从周边设备要求来看,MCU应当能够处理各种工业通讯协议,包含大容量的片内记忆体且无需特定的马达控制外设模组。

  马达控制层的需求与上层不同。使用单颗MCU可能不会满足每种情况下的需求,因此需要一颗额外监控安全的MCU。除通讯外,主MCU执行马达控制演算法并处理特定驱动器的故障状态。

  马达控制演算法包括位置/速度/电流(扭矩)控制环路的计算。片上非易失性记忆体的最佳大小在数十KB范围内,且MCU必需有专用的马达控制周边模组,包括六通道的PWM产生计时器、快速精确的模数转换器以及处理编码器讯号的介面。

  有时,数控机床的主控制器和马达控制MCU之间的通讯透过光纤汇流排来实现,以确保恶劣、嘈杂环境下位置资讯能够准确传递。马达控制MCU底层为功率模组,每个模组驱动一个马达。这些还不包括具体的MCU逻辑,但能够配备一个智慧的绝缘闸双极性电晶体(IGBT)或功率金属氧化物半导体场效电晶体(MOSFET)驱动器,它可以进行故障保护和诊断功能。功率模组测量控制演算法中所用的回馈讯号(相电流、电压),并通过快速通讯介面传送给马达控制MCU。

  机器人系统通常包含必须由MCU控制的附加元件,如自动换刀装置和刀具冷却控制,或者在数控车床情况中,须要主轴驱动控制。如上所述,顶层要求强劲的计算能力执行多个任务,但并不要求特定的马达控制周边。目前已有厂商提供多种32位元解决方案产品组合,如基于单核或双核Cortex-A5/Cortex-M4的Vybrid控制器解决方案,或基于Cortex-M4内核的KinetisK70MCU,以满足上述设计需求。这些解决方案有专用马达控制周边模组,包括与ADC同步的PWM模组,但浮点单元是不需要的,因为内核性能足以执行向量控制演算法。

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