不了解三相電機的磁場定向控制(FOC)？這篇文章一定要讀

本系列博客將討論一些不同的電機控制方案，首先是BLDC或交流電機的磁場定向控制(FOC)。

FOC是驅動電動馬達的最有效方式之一。FOC的主要目標是保持正交的定子和轉子磁場以產生最大扭矩。一種方法是不斷監測三個時變相電流，并調制每個施加的相電壓以實現正確的時變定子磁場方向。然而，這說起來容易做起來難，而且由于硬件/軟件要求增加，在實踐中也很困難。

在磁場定向控制中，時變電流仍被監測并投影到一個靜止的參照坐標系上，在那里它們被分解成轉矩(q軸)和場通量(d軸)分量。這在數學上是通過克拉克變換(Clarke transformation)和帕克變換(Park transformation)完成的，這有助于在一個時間不變的參照坐標系內直接控制轉矩，減少控制的復雜性和帶寬要求。

圖1：用克拉克變換(Iα和Iβ)投影三相電流，然后通過帕克變換投影到線性d,q旋轉參照坐標系

然后，指令的d-q軸分量被轉換回3相時變系統，以通過逆變器開關的PWM控制正確調制3相電流。

但是，轉子的磁場角必須是已知的，以保持正交的定子和轉子磁場。這可通過編碼器或旋轉變壓器的位置反饋來實現(有傳感器)，也可通過反電動勢/磁通觀測器軟件來測量相電流以估計轉子角(無傳感器)。

編碼器一般分為兩類：增量式和絕對式。增量式編碼器可測量相對角位置和旋轉方向，但不能提供零速時的絕對位置信息。例如，對于增量式正交編碼器，正交相位的兩個A/B脈沖信號表示相對角運動(例如，每轉1000個脈沖)，有時還提供附加的Z索引信號以提供參考點。A/B信號的相對相位的極性(例如，A滯后B或B滯后A)表示旋轉方向。絕對編碼器通過各種數字編碼提供真實的角位置。然而，由于信號數量和帶寬要求的增加，它們往往需要通信總線將信號發送到控制器(例如，16位位置編碼)。

無論為FOC選擇的是有傳感器還是無傳感器的實現方式，都必須準確測量相電流以保持精確的扭矩控制。測量相電流的最常用方法是在逆變器級中使用分流電阻器在每個低側MOSFET的源極和地之間進行低側檢測。由于分流器的共模電壓降低，可使用低成本電流檢測放大器。高側(串聯)相電流檢測通常需要昂貴的專業的高共模抑制比CMRR或隔離放大器電路來減輕共模電壓誤差，因為共模電壓在PWM頻率下大致在直流輸入電壓和地之間波動。

理想情況下，所有三個相位的電流都是同時測量的，但有可能減少分流電阻器的數量，從而降低系統成本和功率損耗，但會增加電流檢測帶寬和軟件復雜性。雙分流架構依靠基爾霍夫電流定律(Kirchhoff’s current law)，從兩個測量電流計算未測量電流(例如，流入U和V相的電流等于流出W相的電流)。單分流器架構需要了解逆變器開關狀態才能將測量電流與實際相電流相關聯。

通常，用于確定所有相電流的測量精度會隨著分流電阻數量的減少(從3個減少到1個)而降低。因此，需要更快的測量電路，并且總系統延遲成為一個更重要的因素。此外，在跟蹤檢測的正確時刻和確定從測量電流到實際相電流的相關性方面，軟件的復雜性也會增加，在單分流架構中最為明顯。

下面的圖2和圖3舉例說明了有傳感器和無傳感器FOC電機控制系統。

圖2：有傳感器FOC電機控制系統框圖

圖2顯示了使用正交編碼器的有傳感器FOC實施所需的信號。反饋至少需要1-3個電流檢測輸入(取決于分流架構)到ADC和正交A/B/Z信號的3個GPIO引腳。還必須為編碼器供電。

圖3：無傳感器FOC電機控制系統框圖

圖3顯示了實施無傳感器FOC所需的信號。根據分流架構，ADC至少需要一到三個電流檢測輸入來提供反饋。

電機開發套件STR-1KW-MDK-GEVK和STR-MDK-4KW-65SPM31-GEVK是兩個全面的電機控制方案，它們采用大功率模塊，以有傳感器和無傳感器FOC控制來驅動電機。

對于FOC，由于低側電流檢測已用于控制，這些相同的信號也可用于OCP。然而，如前所述，低側電流檢測只能檢測逆變器級和電機中的故障。可以實施額外的高側總線電流檢測電路，以防止電源下游的其他故障。

硬件、軟件或兩者都可實現OCP。通常，基于硬件的OCP將提供更快的響應，但基于軟件的OCP更靈活。ADC的滿量程電流測量范圍限制了基于軟件的OCP的最大觸發點。硬件/軟件的組合實現可用于實現鎖存OCP，以快速緩解災難性的硬故障，而基于軟件的OCP可控制動態事件，如逐周期相位電流限制。

在特定應用中，如再生制動可能導致直流母線上的電壓過高，可能有必要通過二極管箝位或撬棍電路實現HW OVP。基于軟件的OVP也可以通過監測直流母線來實現，并通過禁用逆變器輸出來保護電機免受高于電機額定電壓的潛在破壞電壓。

監控逆變器MOSFET 和/或電路板溫度對于所有控制方法通常是個好主意，尤其是當系統經受不同環境溫度的影響或冷卻系統發生故障時。例如，PWM占空比限制可隨著溫度的升高而動態降低，熱監控也可幫助確定器件隨時間的退化。

逆變器MOSFET的門極驅動器的選擇對于任何電機控制系統來說都是至關重要的，而且應該明確地根據系統要求進行選擇。不當的門極驅動器選擇可能會導致性能顯著下降，甚至是災難性的系統故障。

安森美(onsemi)有多種單相HS-LS MOSFET門極驅動器，如NCP51530和FAN73933，可用于每個逆變器相位(共3個)。但對于3相電機控制，也可選擇使用專門的集成3相門極驅動器，包括FAN7388、FAN73896和FAN7888。

另外，一些門極驅動器具有自動互補門極驅動輸出和死區插入的功能，這允許單個PWM輸出(所需的PWM控制器信號從6個減到3個)來控制每個逆變器相位。請注意，此功能不適合某些PWM方案。

結合基本保護技術，FOC可成為驅動電動機的最有效方法之一，也是在各種應用中提高電動機控制和精度的好方法。