控制系统设计案例及实时系统体系结构的发展

关键字：电机控制 以太网接口 永磁同步电机 PMSM

怎样才能把多个 CPU 内核、硬件加速器块以及 10G 以太网接口结合起来控制一个电机呢？对于采用 1 美元微控制器 （MCU） 来运行电机的设计人员而言，这一问题太荒谬了。答案可能来自令人感兴趣的控制系统设计案例，实时系统体系结构的发展等。

起点

让我们介绍一种在我们应用场景中处于中心位置的永磁同步电机，即 PMSM。PMSM 有很多种外形和体积，适合很多种应用，从开关门到机器人手术工具关节等。在这一领域中，它得到了广泛的应用，这是因为其固有的可靠性、低成本，在我们的应用中，经过适当的控制，可以实现高精度和高效率。实际上，应用的要求越来越高，PMSM 支

持您降低机电设计的复杂性，在软件中实现复杂的功能。

PMSM 机械和电气特性非常简单（图 1） 。转子正如其名称所示，是永磁体。通常有三个定子绕组，在电机中均匀的

120 度角分布。真正的诀窍在于绕组的不同：转动密度是围绕定子呈正弦分布，因此，绕组实际上在边缘上相互重

叠。在绕组合适的相位上应用正弦电流，您能够建立与转子场角度垂直的旋转磁场，从而在转子上高效的产生扭矩。

图 1. PMSM 截面

控制 PMSM 并不是高科技。一个简单的 MCU 使用查找表和插值来生成所需的驱动电流时变正弦信号，为绕组提供电流。如果算法正确，绕组会产生电机旋转磁场，转子随之转动。虽然起步有些复杂，但毕竟完成任务了，对吧？不完全是这样。

现场定位控制

开环控制的问题总是很复杂。启动电机，特别是有负载的情况，会比较难，效率也不高。开环控制器的响应并不能很好的适应负载扭矩或者速度命令的变化，无法抑制振动。出于通常的考虑，反馈控制系统工作起来会更好一些。

问题是要控制什么。很明显，我希望控制转动角度，在某些应用中，旋转速度。我们必须通过控制产生旋转磁场的三个绕组电流来完成这一工作。对此最好的方法是，在业界已经应用的多路步进，即，线程定位控制 （FOC） （图 2） 。