【導(dǎo)讀】怎樣才能把多個CPU內(nèi)核、硬件加速器塊以及10G以太網(wǎng)接口結(jié)合起來控制一個電機呢？對于采用1美元微控制器 (MCU) 來運行電機的設(shè)計人員而言，這一問題太荒謬了。答案可能來自令人感興趣的控制系統(tǒng)設(shè)計案例，實時系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展等。
起點
讓我們介紹一種在我們應(yīng)用場景中處于中心位置的永磁同步電機，即PMSM。PMSM有很多種外形和體積，適合很多種應(yīng)用，從開關(guān)門到機器人手術(shù)工具關(guān)節(jié)等。在這一領(lǐng)域中，它得到了廣泛的應(yīng)用，這是因為其固有的可靠性、低成本，在我們的應(yīng)用中，經(jīng)過適當?shù)目刂疲梢詫崿F(xiàn)高精度和高效率。實際上，應(yīng)用的要求越來越高，PMSM支持您降低機電設(shè)計的復(fù)雜性，在軟件中實現(xiàn)復(fù)雜的功能。
PMSM機械和電氣特性非常簡單(圖1) 。轉(zhuǎn)子正如其名稱所示，是永磁體。通常有三個定子繞組，在電機中均勻的120度角分布。真正的訣竅在于繞組的不同：轉(zhuǎn)動密度是圍繞定子呈正弦分布，因此，繞組實際上在邊緣上相互重疊。在繞組合適的相位上應(yīng)用正弦電流，您能夠建立與轉(zhuǎn)子場角度垂直的旋轉(zhuǎn)磁場，從而在轉(zhuǎn)子上高效的產(chǎn)生扭矩。
圖1. PMSM截面
控制PMSM并不是高科技。一個簡單的MCU使用查找表和插值來生成所需的驅(qū)動電流時變正弦信號，為繞組提供電流。如果算法正確，繞組會產(chǎn)生電機旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子隨之轉(zhuǎn)動。雖然起步有些復(fù)雜，但畢竟完成任務(wù)了，對吧？不完全是這樣。
現(xiàn)場定位控制
開環(huán)控制的問題總是很復(fù)雜。啟動電機，特別是有負載的情況，會比較難，效率也不高。開環(huán)控制器的響應(yīng)并不能很好的適應(yīng)負載扭矩或者速度命令的變化，無法抑制振動。出于通常的考慮，反饋控制系統(tǒng)工作起來會更好一些。
問題是要控制什么。很明顯，我希望控制轉(zhuǎn)動角度，在某些應(yīng)用中，旋轉(zhuǎn)速度。我們必須通過控制產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的三個繞組電流來完成這一工作。對此最好的方法是，在業(yè)界已經(jīng)應(yīng)用的多路步進，即，線程定位控制 (FOC) (圖2) 。
圖2. 驅(qū)動結(jié)構(gòu)圖
[page]
第一，我們采集來自轉(zhuǎn)軸編碼器的轉(zhuǎn)子位置采樣，以及三個繞組中兩個繞組的電流采樣。
由于一些很好的數(shù)學(xué)算法，我們并不需要所有三個繞組電流。這些采樣告訴我們轉(zhuǎn)子以及定子旋轉(zhuǎn)磁場的瞬時位置和滯后速度。我們的工作是控制轉(zhuǎn)子的速度和位置，這通過控制定子繞組的電流大小來實現(xiàn)，同時還要讓旋轉(zhuǎn)磁場比轉(zhuǎn)子磁場超前90度。
通過兩個簡單的變換，我們很容易完成這一工作。Clarke變換將兩個定子繞組的電流采樣 — 它們分開120度，映射到一對正交矢量上。矢量的方向相對于定子是固定的，當然，其矢量和是旋轉(zhuǎn)磁場矢量。Clarke變換只需要將電流值乘以常數(shù)，加上乘積——簡單的乘累加運算。
第二種變換是Park變換，將這兩個正交矢量映射到轉(zhuǎn)子參考的旋轉(zhuǎn)幀中。
一個矢量與轉(zhuǎn)子磁場對齊，另一個正交矢量，角度與其垂直。Park變換比較難處理。在進行矢量乘法把矢量變換成轉(zhuǎn)子參考幀之前，它使用瞬時轉(zhuǎn)軸位置來計算sin(θ)和cos(θ)系數(shù)。
一個矢量與轉(zhuǎn)子磁場對齊，另一個正交矢量，角度與其垂直。Park變換比較難處理。在進行矢量乘法把矢量變換成轉(zhuǎn)子參考幀之前，它使用瞬時轉(zhuǎn)軸位置來計算sin(θ)和cos(θ)系數(shù)。
現(xiàn)在，我們可以控制信號。我們把與轉(zhuǎn)子對齊的矢量保持為0，表示定子磁通量沒有對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生扭矩。我們使用正交分量來控制轉(zhuǎn)子位置和速度，定子磁通量實際上產(chǎn)生了扭矩。
例如，控制器會處理所需位置的輸入，將其與傳統(tǒng)分立時間比例積分(PI) 控制電流的實際轉(zhuǎn)軸角度相對比，產(chǎn)生誤差信號，輸出至 FOC 模塊。FOC 模塊然后會把這一誤差信號送入正交扭矩信號中，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。模塊會應(yīng)用 Park 反變換，把扭矩映射回定子參考的固定幀，然后，通過Clarke反 變換，把扭矩信號映射到電流中，送入三個繞組。這樣就改變了定子繞組所需位置和所需速度輸入激勵信號，旋轉(zhuǎn)定子磁場，使轉(zhuǎn)子處于所需的角度上。
計算負載并沒有那么復(fù)雜：FOC模塊每一采樣間隔可能是兩次三角運算，10次乘法，7次加法，以及一些其他運算來實現(xiàn)PI控制器。所有這些算法都可以在定點中實現(xiàn)，需要仔細一些。采用目前的典型16 kHz采樣和脈沖寬度調(diào)制速率，我們并沒有降低現(xiàn)代32位MCU的整體性能。但是，不止于此。
無傳感控制
讓我們從那個轉(zhuǎn)軸編碼器開始。FOC算法必須有精確的轉(zhuǎn)軸角度反饋。傳統(tǒng)上，這一數(shù)據(jù)來自轉(zhuǎn)軸編碼器與電機轉(zhuǎn)軸連接的光機電設(shè)備。但是，編碼器提高了系統(tǒng)中每一電機的成本、體積、重量，增加了新的失效模式。它需要控制器工業(yè)標準接口。
原理上，有足夠的定子繞組電壓和電流信息來確定轉(zhuǎn)子位置。這樣，可以實現(xiàn)無傳感工作 — 至少可以不采用轉(zhuǎn)軸編碼器，采用更多的電流傳感器和三個電壓傳感器來替代它，所有這些信號都需要精確的模數(shù)轉(zhuǎn)換。這樣，很多復(fù)雜的機械功能可以在軟件中實現(xiàn)。
就是這種想法。繞組負載上的電壓有兩個主要分量：繞組串聯(lián)電阻導(dǎo)致的IR壓降，來自繞組電感的后向EMF。但是，后向EMF本身有兩個來源：繞組自身的電感，以及轉(zhuǎn)子通過繞組磁力線導(dǎo)致的漏磁通量。如果您能夠隔離電壓變化的最后部分，基本上就能夠計算出轉(zhuǎn)子角度。實際上，這樣做涉及到一些計算，包括Park變換，積分評估，以及每一采樣間隔期間的反三角函數(shù)運算。
然而，除了實驗室環(huán)境，您不太可能獲得電機特性的精確數(shù)據(jù)，例如，繞組阻抗和電感等。不同的電機有不同的這類指標，而且這些指標還對溫度和老化等其他參數(shù)非常敏感。
由此，開發(fā)人員建議了各種方案從狀態(tài)變量矩陣中提取出轉(zhuǎn)子角度。這些想法包括鎖定由轉(zhuǎn)子導(dǎo)致的電壓波紋的鎖相環(huán)，計算轉(zhuǎn)子位置的狀態(tài)估算器，將其結(jié)果與以前的數(shù)據(jù)進行對比，還有最終的估算器，Kalman濾波器。與直接計算相比，這些方法至少讓計算負載增加了一倍，每一周期至少需要30次算術(shù)運算。
振動控制
FOC的優(yōu)點之一是能夠控制振動及其伴隨噪聲。這類測量提高了能效和機械可靠性，有可能不需要太多的機械設(shè)計。在消費類市場上，這能夠把600美元的洗衣機抬高到售價800 美元的豪華型。
原理還是那么簡單。如果振動的原因是控制環(huán)不穩(wěn)定造成的，那么您可以改變 PI 控制器的增益，使其更接近臨界阻尼。如果振動是由電機、驅(qū)動轉(zhuǎn)軸或者負載機械共振造成的，您可以通過吸收扭矩信號共振頻率功率來消除振動。比較方便的是，F(xiàn)OC方法使您能夠在扭矩信號變成三路時變正弦信號之前訪問它，因此，增加陷波濾波器吸收共振頻率功率就可以了。
不論哪一操作，增加增益環(huán)還是濾除錯誤信號，都會對系統(tǒng)動態(tài)速度和位置誤差產(chǎn)生不利影響。但是在很多應(yīng)用中，對于平滑安靜的操作，轉(zhuǎn)軸速度的瞬時誤差并不重要。
[page]
振動控制需要三種主要的處理模塊：快速傅里葉變換(FFT)，從轉(zhuǎn)軸位置或者繞組電流數(shù)據(jù)中提取出頻譜，探測和響應(yīng)模塊，找到頻譜最大值，確定怎樣處理它們，還有一個或者更多的可編程陷波濾波器，去掉扭矩信號中的雜波頻率(圖3) 。
圖3.扭矩控制器和Park反變換之間的可編程陷波濾波器能夠改進系統(tǒng)的共振。
這些模塊都適合應(yīng)用。在某些系統(tǒng)中，共振是固定的，或者慢變的，F(xiàn)FT會是啟動或者后臺任務(wù)。在共振變化很快的系統(tǒng)中，F(xiàn)FT需要連續(xù)運行。響應(yīng)模塊與應(yīng)用有很大的關(guān)系，確定對PI環(huán)路增益的調(diào)整，增加濾波器，選擇濾波器參數(shù)等，在很大程度上取決于整個電機系統(tǒng)的特性。因此，在沒有詳細了解系統(tǒng)的情況下，不太可能估算振動控制所需要的計算負載。
工作堆疊
目前為止我們已經(jīng)進行了很多工作，每一16 kHz周期可能有幾百項算術(shù)指令，還有FFT計算。我們所面臨的是，任務(wù)的增長已經(jīng)超出了低成本MCU的簡單中斷服務(wù)。但還有更多。
最明顯的是增加了很多電機。很多控制任務(wù)本質(zhì)上都是多軸的：例如，粉碎機的工具位置，或者全關(guān)節(jié)機器人手等。在集成級，在軸上需要共享實時數(shù)據(jù)等，就能夠體現(xiàn)多通道控制器的優(yōu)點。但是由于軸之間有很少的冗余計算，因此，更多的通道只是增加了工作負載。
還有采樣率。目前的采樣率從以前的搜索RMS位置或者速度誤差的16 kHz標準，增長到 100 kHz。自然的，提高采樣間隔會減少完成實時計算的時間，必須在采樣間隔期間完成實時計算。
工廠之外的變化也對控制器體系結(jié)構(gòu)帶來了壓力：子系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)了。一個主要的轉(zhuǎn)換點是設(shè)計中增加了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)接口。逐漸的，系統(tǒng)設(shè)計人員希望通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送命令，檢查狀態(tài)，讀取日志數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)接口不僅增加了必要的物理層和介質(zhì)訪問硬件，而且還有異步執(zhí)行的協(xié)議棧，與控制環(huán)的同步采樣活動是異步的。現(xiàn)在，我們不僅有簡單的中斷觸發(fā)實時任務(wù)，還有時間限制的兩項任務(wù)，一個實時的，一個面向網(wǎng)絡(luò)的。在這一點，很難不采用RTOS。
網(wǎng)絡(luò)訪問隨之而來的是容易受到攻擊。對聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)進行攻擊，不論是否直接連接互聯(lián)網(wǎng)，都有可能受到黑客的攻擊。沒有絕對的安全。相應(yīng)的，即使是看起來不太重要的電機控制器的子系統(tǒng)今后也要受到保護。這意味著，它們必須有本地認證消息，以及加密和解密數(shù)據(jù)。這通常表明需要加密加速器。
因此，這就回答了我們最初的問題。我們看到PMSM控制器在增加，更多的特性在軟件中實現(xiàn)，從低成本MCU的簡單任務(wù)到某些任務(wù)所需要的硬件加速的大量計算。我們注意到需要 FFT、有限沖擊響應(yīng)(IIR)濾波器、網(wǎng)絡(luò)接口，以及隨之而來的安全功能。非對稱多處理逐漸成為提供足夠計算能力并保持實時和后臺任務(wù)相互隔離最好的方法。
計算環(huán)境已經(jīng)從中斷驅(qū)動的裸金屬代碼擴展到復(fù)雜環(huán)境工作負載，這具有很多難以處理的實時任務(wù)，以及某些通信相關(guān)的背景任務(wù)，其中的一些會有工業(yè)網(wǎng)絡(luò)時限要求。這么復(fù)雜的需求需要采用RTOS。我們看到安全要求內(nèi)核可信。不論是在FPGA中實現(xiàn)還是采用基于單元的技術(shù)實現(xiàn)，我們的小電機控制器都是一種很好的異構(gòu)多核SoC。
