高性能伺服电机的特点是需要平稳旋转到失速，完全控制扭矩在失速和快速加速和减速。在过去，变速驱动器主要采用直流电机，因为它们具有优异的可控性。然而，现代高性能电机驱动系统通常基于三相交流电机，如交流感应电机(ACIM)或永磁同步电机(PMSM)。这些机器已经取代了直流电机作为要求苛刻的伺服电机应用的机器选择，因为它们简单坚固的结构，低惯性，高输出功率重量比和在高速旋转时的良好性能。

矢量控制的原理现在很好地建立了控制这些交流电机;大多数现代高性能驱动器现在都实现了数字闭环电流控制。在这样的系统中，可实现的闭环带宽与计算密集型矢量控制算法和相关矢量旋转可以实时实现的速率直接相关。由于这种计算负担，许多高性能驱动器现在使用数字信号处理器(dsp)来实现嵌入式电机和矢量控制方案。DSP固有的计算能力允许非常快的周期时间和闭环电流控制带宽(2和4 kHz之间)来实现。

这些机器的完整电流控制方案还需要高精度脉宽调制(PWM)电压产生方案和用于测量电机电流的高分辨率数字(a /D)转换(ADC)。为了保持转矩到零转速的平稳控制，转子位置反馈是现代矢量控制器必不可少的。因此，许多系统包括转子位置传感器，如解析器和增量编码器。我们在这里描述了用于三相交流电机的高性能控制器(如ADMC401)实现背后的基本原理-结合集成DSP控制器，强大的DSP核心，灵活的PWM生成，高分辨率a /D转换和嵌入式编码器接口。

交流电机的变速控制

三相交流电机的高效变速控制需要产生一组平衡的三相变频变电压。变频电源通常由使用功率半导体器件(通常是mosfet或igbt)作为固态开关的直流电转换产生。一个常用的转换器配置如图1(A)所示。它是一种两级电路，其中固定频率的50或60赫兹交流电源首先被整流以提供存储在直流链路电容器中的直流链路电压Vd。然后，这个电压被提供给一个逆变电路，为电机产生变频交流电源。逆变电路中的电源开关允许电机端子连接到Vd或地。这种操作模式提供了高效率，因为理想情况下，开关在打开和关闭位置都具有零损耗。

通过快速顺序打开和关闭六个开关(图1a)，可以在输出端合成具有平均正弦波形的三相交流电压。实际输出电压波形为脉宽调制(PWM)高频波形，如图1b所示。在使用固态开关的实际逆变电路中，大约20khz的高速开关是可能的，并且可以在非常高的频率下产生所有电压谐波分量的复杂PWM波形;远高于所需的基频——名义上在0到250赫兹的范围内。

电动机的感应电抗随频率的增加而增大，因此高次谐波电流很小，在定子绕组中有近正弦电流流动。如图1b所示，通过使用适当的控制器改变PWM波形来调节逆变器的基波电压和输出频率。在控制基波输出电压时，PWM过程不可避免地改变了输出电压波形的谐波含量。适当选择调制策略可以最大限度地减少这些谐波电压及其相关的谐波效应和电机中的高频损耗。

a：用于驱动三相交流电动机的功率转换器的典型配置。

b：典型的PWM波形在为电机产生变电压、变频电源时。

脉宽调制(PWM)的产生

在典型的交流电机控制器设计中，产生PWM信号的过程涉及硬件和软件两个方面的考虑，这些信号最终用于打开或关闭三相逆变器中的功率器件。在典型的数字控制环境中，控制器以PWM开关频率(名义上为10至20 kHz)产生定时中断。在中断服务程序中，控制器软件计算用于驱动逆变器三个支路的PWM信号的新占空比值。计算的占空比取决于电机的测量状态(扭矩和速度)和期望的运行状态。占空比按周期进行调整，以使电机的实际运行状态遵循期望的轨迹。

一旦处理器计算出所需的占空比值，就需要一个专用的硬件PWM发生器来确保在下一个PWM-控制器周期中产生PWM信号。PWM产生单元通常由适当数量的定时器和比较器组成，这些定时器和比较器能够产生非常精确的定时信号。通常，在PWM时序波形的生成中，10到12位的性能是理想的。ADMC401的PWM产生单元能够提供38.5 ns的边缘分辨率，对应于开关频率为10 kHz时的大约11.3位分辨率。ADMC401专用PWM产生单元产生的典型PWM信号如图2所示，对于A型逆变器支腿，其中AH为驱动A型逆变器支腿的高侧功率器件的信号，AL为驱动低侧功率器件的信号。占空比有效地调节施加到电机上的平均电压，以实现所需的控制目标。

一般来说，在关闭一个电源设备(例如AL)和打开互补电源设备(AH)之间需要很小的延迟。这个死区时间需要确保被关闭的设备在另一个设备打开之前有足够的时间恢复其阻塞能力。否则会导致直流电压短路。ADMC401的PWM产生单元包含自动死区插入PWM信号所需的硬件。

三相交流电机控制器的总体结构

任何电机驱动过程的精确控制最终可能归结为电机转矩和转速的精确控制问题。一般来说，通过使用适当的换能器测量电机的速度或位置直接控制电机速度，而通过适当控制电机相电流间接控制转矩。图3显示了三相电机的典型同步帧电流控制器的框图。该图还显示了软件代码模块和电机控制器(如ADMC401)的专用电机控制外设之间的任务比例。该控制器由两个比例+积分+微分(PID)电流调节器组成，用于控制参考框架中与测量转子位置同步旋转的电机电流矢量。

有时可能需要在电压和速度之间实现解耦，从而从控制回路中消除速度依赖性和相关轴的交叉耦合。然后使用合适的脉宽调制策略(如空间矢量调制(SVM))在逆变器上合成参考电压分量。还可以结合一些补偿方案来克服逆变器开关死区时间、逆变器器件导通电压有限和直流链路电压纹波的畸变效应。

定子电流矢量的两个分量称为直轴分量和正交轴分量。直轴电流控制电机磁通，在永磁电机中通常被控制为零。电机转矩可以直接通过调节正交轴分量来控制。快速，准确的扭矩控制对于高性能驱动器至关重要，以确保快速加速和减速-以及在所有负载条件下平稳旋转至零速度。

通过使用合适的电流传感传感器测量电机相电流，并使用片上ADC系统将其转换为数字，从而获得实际的直流电流和正交电流分量。通常，同时对电机线路中的两个电流进行采样就足够了:由于这三个电流之和为零，必要时，可以通过同时测量另外两个电流推断出第三个电流。

控制器软件利用数学矢量变换，即Park变换，确保在所有操作条件下，应用于电机的三相电流与电机轴的实际旋转同步。这种同步确保电机总是产生最佳转矩每安培-即。，以最佳效率运行。矢量旋转需要实时计算所测转子角度的正弦和余弦，再加上一些乘法和累加运算。总的控制环带宽取决于闭环控制计算的实现速度以及由此产生的新占空比值的计算。26-MIPS, 16位定点DSP内核固有的快速计算能力使其成为这些嵌入式电机控制应用的理想计算引擎。

数码转换要求

为了控制高性能交流伺服驱动器，需要对测量电流值进行快速、高精度、同步采样的A/D转换。伺服驱动器有一个额定的工作范围-一个特定的功率水平，他们可以持续维持，在电机和电源转换器的可接受的温升。伺服驱动器还具有峰值额定值，即在短时间内处理远远超过额定电流的能力。例如，在短时间内施加6倍于额定电流是可能的。这允许一个大的扭矩瞬时应用，加速或减速驱动器非常快，然后恢复到正常操作的连续范围。这也意味着，在驱动器的正常操作模式下，只有一小部分的总输入范围被使用。

在天平的另一端，为了实现这些机器所需的平滑和精确的旋转，明智的做法是补偿小的偏移和非线性。在任何电流传感器电子器件中，信号处理经常受到增益和偏移误差的影响。例如，不同绕组的电流测量系统之间可能存在增益不匹配。这些影响结合在一起产生不希望的扭矩振荡。为了满足这两种冲突的分辨率要求，现代伺服驱动器使用12至14位A/D转换器，具体取决于应用所需的成本/性能权衡。

系统的带宽基本上受到输入信息然后执行计算所需时间的限制。A/D转换器需要许多微秒来转换，会在系统中产生无法忍受的延迟。闭环系统中的延迟会降低系统的可实现带宽，而带宽是这些高性能驱动器中最重要的价值之一。因此，快速的数字转换是这些应用的必要条件。

在这些应用中使用的A/D转换器的第三个重要特性是时序。除了高分辨率和快速转换外，还需要同时采样。在任何三相电机中，都有必要同时测量电机三个绕组中的电流，以便获得机器中扭矩的瞬时“快照”。任何时间偏差(不同电流测量之间的时间延迟)都是测量手段人为插入的误差因素。这种非理想性直接转化为扭矩的波动，这是一个非常不受欢迎的特性。

集成到ADMC401中的ADC系统提供了一个快速(6-MSPS)，高分辨率(12位)ADC核心，集成了双采样和保持放大器，因此可以同时采样两个输入信号。(如前所述，这允许计算第三个电流的同时值。)ADC核心采用高速流水线闪存架构。总共8个输入通道可以被转换，接受额外的系统或反馈信号作为控制算法的一部分使用。这种集成性能水平代表了高性能应用中嵌入式DSP电机控制器的最新水平。

位置传感;编码器接口单元

通常电机位置是通过使用安装在转子轴上的编码器来测量的。增量式编码器产生一对正交输出(a &B)，每个电机轴每转一圈都有大量脉冲。对于具有1024行的典型编码器，两个信号每转产生1024个脉冲。使用专用的正交计数器，可以计算a和B信号的上升沿和下降沿，以便转子轴的一次旋转可以分为4096个不同的值。换句话说，1024行编码器允许测量转子位置到12位分辨率。旋转方向也可以从正交信号A和B的相对相位推断出来。

通常在电机控制器上有一个专用的编码器接口单元(EIU);它管理双正交编码器输出信号的转换，以产生一个代表实际转子位置的并行数字字。这样，只要算法需要，DSP控制软件就可以简单地读取转子的实际位置。

这一切都很好，但是越来越多的成本敏感型伺服电机驱动应用具有较低的性能要求，既不能负担转子位置传感器的成本，也不能负担空间要求。在这些情况下，相同的电机控制算法可以实现估计而不是测量转子位置。

DSP核心非常有能力使用复杂的转子位置估计算法计算转子位置，例如扩展卡尔曼估计，从电机电压和电流的测量中提取转子位置的估计。这些估计依赖于DSP中足够精确的电机模型的实时计算。在一般情况下，这些无传感器的算法可以工作，以及基于传感器的算法在中高速旋转。但随着电机速度的降低，从电压和电流测量中提取可靠的速度相关信息变得更加困难。一般来说，无传感器电机控制主要适用于压缩机、风扇和泵等不需要以零或低速连续运行的应用。

结论

现代基于dsp的三相交流电机控制在市场上继续蓬勃发展，无论是在成熟的工业自动化市场还是在家电，办公自动化和汽车市场的新兴市场。这些机器的高效和经济有效的控制需要在硬件和软件之间取得适当的平衡，以便由专用硬件单元管理诸如PWM信号的生成或转子位置传感器的实时接口等时间关键任务。另一方面，利用DSP核心的快速计算能力，电机的总体控制算法和新电压命令的计算最好在软件中处理。与旧的硬件解决方案相比，在软件中实现控制解决方案具有易于升级、可重复性和可维护性等所有优点。所有电机控制解决方案还需要集成合适的a /D转换系统，以便快速准确地测量来自电机的反馈信息。ADC系统的分辨率、转换速度和输入采样结构都需要严格针对具体应用的要求。