碳足跡、綠色能源和氣候變化屢現新聞頭條，引人矚目。為保證我們的后代有一個潔凈的生活環境，我們必須立即行動起來。為此，發達國家的政府以稅費的方式來降低碳排放和能源使用。由于超過半數的電力用于驅動電動馬達，因此設計人員不是應該而是必須采用更加高效的馬達控制與設計。

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。

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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。


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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。

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。

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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。

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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。

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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。

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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。