Cortex-M4微控制器(MCU)将可加速马达控制设计。精准的马达控制须仰赖精密且复杂的算法才能达到，而Cortex-M4微控制器运算能力达100MHz，并具备DSP及硬件浮点运算单元，可有效执行马达控制所需的高阶计算，有助减轻开发负担。
透过内建Cortex-M4核心的微控制器(MCU)，再搭配智能型连接的接口设备，将可轻松执行复杂的马达控制算法。本文将以永磁同步马达(PMSM)磁场定向控制(FOC)之中的方程式为例进行探讨，并显示如何利用CMSIS数字信号处理器(DSP)链接库进行处理。本范例使用的相同原则，可应用至其他控制算法及马达类型。此外，也将探讨智能型接口设备为何不需要第二个核心，并说明使用单一业界标准核心搭配CMSIS DSP链接库的众多优点。
在探讨控制算法及方程式之前，了解永磁同步马达的架构及运作相当重要。基本上，简易的三相永磁同步马达包含永磁转子及固定式定子，并且搭配了三个正弦分布绕组(图1)。
永磁同步马达架构及运作原理
定子的正弦分布绕组类似于三相感应马达的正弦分布绕组。单相中任何角度的电线圈数约为NS cos(￡\)。其他两相情况相同，但偏移120度，而在现实情况下，绕组只是以近似正弦的方式分布。
由于如果将三相正弦电流施加至本类定子，就会产生旋转的正弦分布磁通量。因此，设计人员可利用数学证实以上理论。由于绕组产生的磁通量，与通过绕组的电流及绕组圈数成正比，所以将圈数乘以该相电流，就可以得出该定子相产生的磁通量，也就是磁动势(MMF)。若是再加上其他两相的结果，就能够算出定子的总磁通量。然后找一位高中学生，请他使用「余弦定律」(公式1)将长方程式简化为以下的简易方程式。
为有效控制马达，让产生的定子磁通量与转子磁通量90度异相，如此一来马达扭矩就能与定子磁通量振幅成正比。
简化磁场定向控制理论
此外，采用MCU型的不断电系统(UPS)，主要是搭配整合式模拟数字转换器(ADC)及脉冲宽度调变(PWM)模块连接至半桥及变压器，产生正弦电压。输出电压预期应为无噪声的110伏特(V)60Hz正弦，不受负载影响。设计人员为了产生PWM值，首先可使用简易的PI控制器搭配110V、60Hz参考讯号，目的是透过ADC信道读取实际电压，与所需电压进行比对，将误差送入PI控制器，并使用输出控制PWM值；可惜这种方式并不成功，容易把电路板烧掉。
因此，可以考虑执行复杂的非线性控制法则，藉此取代PI控制器。透过已经制作好的正弦PWM值的对照表，将其储存于MCU内存，并且在每次PWM中断时，将指数增加至对照表中，接着将数值复制至PWM缓存器。采用这种方式虽然可以产生良好的60Hz正弦讯号，但是仍然会受到负载较大的影响。为了控制本正弦电压的振幅，可将对照表数值乘以比例因子，再将其传输至PWM缓存器，然后使用简易的PI控制器控制比例因子；而这次的结果顺利许多，在使用三角函数计算的情况下，即使只有近似于直流电的电压振幅时，采用简易PI控制器就能运作。
磁场定向控制运作时也采用类似原则。利用三角函数移除系统的正弦属性，然后针对振幅应用简易的线性PI控制器。为了检视其中的运作方式，在此可使用向量简化图1(B)；图2类似于图1，只是其中把很难绘制的小圆圈替换为a、b及c轴。
由于磁通量与电流成正比，因此磁通量与电流这两个名词可以互换。三定子电流产生的总磁通量是以向量iS表示，也就是ia+ib+ic的向量总和；目标是让is与转子磁铁产生的磁通量保持90度的差距。在图2(B)中，若iS对齐转子正交或q轴，就代表定子磁通量对齐的位置适当，而图中有部分没有对齐的地方。
为了将定子磁通量对齐转子，首先必须找出与转子适当对齐的定子磁通量组件。这是与转子q轴对齐的磁通量组件，称为iq。我们也须找出未与转子适当对齐的组件，这是与转子d轴对齐的磁通量组件，称为id。如图3所示，id及iq只是iS在d及q轴的投射。
作者： Mike Copeland
文章来源：新电子
