AN1078(PMSM电机的无传感器磁场定向控制.pdf

发布时间：2022-06-16 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.60M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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简介

为什么使用FOC算法？

为什么使用数字信号控制器来进行电机控制？

使用数字信号控制器进行电机控制

数据监视和控制界面

应用重点

图1：动态数据控制界面

图2：用户自定义数据输入控制

图3：图形数据视图

系统概述

图4：系统概述

图5： 3相拓扑

磁场定向控制

从不同的角度理解磁场定向控制

矢量控制综述

图6：矢量控制框图

坐标变换

Clarke变换

图7： Clarke变换

Park变换

图8： Park变换

PI控制

图9： PI控制

PID增益调节

控制环的相互依赖关系

Park逆变换

图10： Park逆变换

Clarke逆变换

图11： Clarke逆变换

空间矢量调制（SVM）

图12： SVM

图13：平均SVM

表1：空间矢量调制逆变器状态

图14：周期T内的PWM

PMSM的无传感器FOC

电机模型

图15：电机模型

图16：位置估算器功能框图

公式1：数字化电机模型

计算F和G参数

公式2：

公式3：

电流观测器

图17：电流观测器框图

反电动势估算

图18：反电动势估算模型

反电动势滤波

公式4：一阶数字低通滤波器：

反电动势和转子位置的关系

图19：反电动势和Theta的关系

公式5： Theta计算

速度计算

公式6：速度计算

图20：速度计算框图

自适应滤波器

公式7：

磁场弱化

图21： FieldWeakening函数框图

图22： Id与电机转轴转速RPM关系曲线

性能模式

速度模式

图23：速度模式框图

转矩模式

图24：转矩模式框图

电压纹波补偿

公式8：

图25： D轴电流的母线电压纹波补偿(1,2)

图26： Q轴电流的母线电压纹波补偿(1,2)

流程图

图27： A/D中断程序

图28：电机位置和速度估算

电机起动

图29：电机起动

主要软件状态机

图30：主要软件状态机

基于DSC的FOC控制的优点

总结

参考文献

附录 A：硬件资源

版本历史

版本A（2007年3月）

版本B（2010年3月）

全球销售及服务网点

AN1078 PMSM 的无传感器磁场定向控制作者： Jorge Zambada 和Debraj Deb Microchip Technology Inc. 简介设计者根据对环境的需求，希望能不断开拓高级电机控制技术，用以制造节能空调、洗衣机和其他家用电器产品。到目前为止，较为完善的电机控制解决方案通常仅用作专门用途。然而，新一代数字信号控制器（Digital Signal Controller，DSC）的出现使得性价比高的高级电机控制算法最终成为现实。例如，空调需要能够对温度作出快速响应以迅速改变电机的转速。因此，我们需要高级电机控制算法，以制造出更加节能的静音设备。在这种情况下，磁场定向控制（Field Oriented Control， FOC）脱颖而出，成为满足这些环境需求的主要方法。本应用笔记讨论了使用 Microchip dsPIC® DSC 系列对永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor， PMSM）进行无传感器 FOC 的算法。为什么使用 FOC 算法？ BLDC 电机的传统控制方法是以一个六步的控制过程来驱动定子，而这种控制过程会使生成的转矩产生振荡。在六步控制过程中，给一对绕组通电直到转子达到下一位置，然后电机换相到下一步。霍尔传感器用于确定转子的位置，以采用电子方式给电机换相。高级的无传感器算法使用在定子绕组中产生的反电动势来确定转子位置。六步控制（也称为梯形控制）的动态响应并不适用于洗衣机，这是因为在洗涤过程中负载始终处于动态变化中，并随实际洗涤量和选定的洗涤模式不同而变化。而且，对于前开式洗衣机，当负载位于滚筒的顶部时，必须克服重力对电机负载作功。只有使用高级的算法如 FOC 才可处理这些动态负载变化。本应用笔记着重于适用于电器的基于PMSM的无传感器 FOC 控制，这是因为该控制技术在电器的电机控制方面有着无可比拟的成本优势。无传感器 FOC 技术也克服了在某些应用上的限制，即由于电机被淹或其线束放置位置的限制等问题，而无法部署位置或速度传感器。由于PMSM使用了由转子上的永磁体所产生的恒定转子磁场，因此它尤其适用于电器产品。此外，其定子磁场是由正弦分布的绕组产生的。与感应电机相比，PMSM 在其尺寸上具有无可比拟的优势。由于使用了无刷技术，这种电机的电噪音也比直流电机小。为什么使用数字信号控制器来进行电机控制？ dsPIC DSC 尤其适用于类似于洗衣机和空调压缩机之类的电器，因为数字信号控制器具有下列特别适用于电机控制的外设： • 脉宽调制（Pulse-Width Modulation， PWM） • 模数转换器（Analog-to-Digital Converter， ADC） • 正交编码器接口（Quadrature Encoder Interface， QEI）在执行控制器程序以及实现数字滤波器时，由于 MAC 指令和小数运算可在一个周期内执行，因此 dsPIC DSC 器件允许设计者对代码进行优化。同时，对于那些需要饱和功能的运算，dsPIC DSC 器件通过提供硬件饱和保护以避免溢出。 dsPIC DSC 需要快速且灵活的模数（A/D）转换来检测电流——电机控制中的关键功能。 dsPIC DSC器件特有的 ADC 可以 1 Msps 的速率转换采样输入，并可最多同时处理四路输入。 ADC 上的多触发选项可允许使用廉价的电流检测电阻来测量绕组电流。例如，使用 PWM 模块触发 A/D 转换可允许廉价的电流检测电路在指定时间内对输入进行检测（开关晶体管使电流流过检测电阻）。  2010 Microchip Technology Inc. DS01078B_CN 第1 页

应用重点本应用笔记的目的在于说明使用 Microchip 数字信号控制器，以软件的方式实现PMSM 的无传感器磁场定向控制。该控制软件具有如下特征： • 实现 PMSM 的矢量控制。 • 位置和速度估算算法可避免使用位置传感器。 • 测试得到速度范围从 500 到 17000 RPM。 • 当控制环周期为 50 µs 时，软件需要约 21 个 MIPS 的 CPU 开销（占 CPU 总体开销的 2/3）。 • 应用程序需要 450 字节的数据存储空间。包含用户界面在内一共需要大约 6K 字节的程序存储空间。根据对存储空间的需求，应用程序应可在 dsPIC33FJ12MC202 上运行，目前为止，此器件是体积最小且最具成本效益的 dsPIC33F 器件。 • 启用可选的诊断模式以在示波器上对内部程序变量进行实时观察。该功能可便于对控制环进行调整。 AN1078 使用数字信号控制器进行电机控制 dsPIC DSC 电机控制系列是针对最常用的电机而设计的，包括： • 交流感应电机（AC Induction Motor， ACIM） • 直流有刷电机（Brushed DC Motor， BDC） • 直流无刷电机（Brushless DC Motor， BLDC） • 永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor， PMSM）已发表了一些基于 dsPIC DSC 电机控制系列的应用笔记（见 “参考文献”）。这些应用笔记可从 Microchip 网站（www.microchip.com）获取。本应用笔记说明了 dsPIC DSC 如何利用特别适合电机控制的外设（电机控制 PWM 和高速 ADC）来执行 PMSM 的无传感器磁场定向控制。dsPIC DSC 的 DSP 引擎支持必要且快速的数学运算。数据监视和控制界面数据监视和控制界面（Data Monitor and Control Interface，DMCI）能够与 MPLAB® IDE 快速动态集成，可通过这一个界面对 IDE 项目中的范围值、开 / 关状态或离散值进行变量控制以对应用的运行加以限制。如果需要，应用反馈可以图形方式来表示。提供电机控制和音频处理方面的应用示例。 DMCI 可提供： • 9 个滑块和 9 个布尔量（开 / 关）控制（见图 1） • 35 路输入控制（见图 2） • 4 个图（见图 3）该界面提供了可识别项目的程序符号（变量）导航，这些符号可被动态地分配给滑块控制、直接输入控制或布尔量控制的任意组合。随后这些控制可交互地用来更改 MPLAB IDE 中的程序变量值。这些图也可动态地进行配置以查看程序所生成的数据。注： DMCI 工具的特性可能会有所变化。关于 DMCI 工具的说明，以其发布日期为准。 DS01078B_CN 第2 页  2010 Microchip Technology Inc.

图 1：动态数据控制界面 AN1078 图 2：用户自定义数据输入控制  2010 Microchip Technology Inc. DS01078B_CN 第3 页

AN1078 图 3：图形数据视图 DS01078B_CN 第4 页  2010 Microchip Technology Inc.

系统概述如图 4 所示，在电机轴上没有安装位置传感器。而使用低自感系数的分流电阻（逆变器的一部分）来测量电机上的电流。三相逆变器被用作功率级来驱动电机绕组。电源逆变器内置的电流检测和故障生成电路可防止整个系统受到过电流的损坏。图 4：系统概述 AN1078 图 5 说明了如何实现 3 相拓扑以及电流检测和故障生成电路。逆变器左边的第一个晶体管用于功率因数校正（Power Factor Correction， PFC），本应用笔记中不作具体介绍。本应用笔记中所涉及的硬件是dsPICDEM™ MCLV开发板（DM330021）（用于电压最高为 50 VDC 的场合），以及 dsPICDEM™ MCHV 开发板（DM330023）（用于电压最高为 400 VDC 的场合），两者均可从 Microchip 网站（www.microchip.com）订购。 3 相逆变器 3 相 PMSM PWM1H PWM1L PWM2H PWM2L PWM3H PWM3L AN0 AN1 RB8 AN8 RA8 4 0 2 C M 2 3 J F 3 3 C P S d I Ia Ib 过流 VR1 速度给定启动 / 停止 S2 用户接口图 5： 3 相拓扑可选功率因素校正 115/230 VAC PWM1H PWM2H PWM3H PMSM PWM1L PWM2L PWM3L 故障 < 电流限制 Ia Ib  2010 Microchip Technology Inc. DS01078B_CN 第5 页

AN1078 磁场定向控制从不同的角度理解磁场定向控制理解 FOC （有时称为矢量控制）如何工作的一种方法是在头脑中设想参考坐标变换过程。如果从定子的角度来设想交流电机的运行过程，则会看到在定子上施加了一个正弦输入电流。该时变信号产生了旋转的磁通。转子的速度是旋转磁通矢量的函数。从静止的角度来看，定子电流和旋转磁通矢量看似交流量。现在，设想在电机内部，转子随着定子电流所产生的旋转磁通矢量以相同的速度同步旋转。如果从这个角度观察稳态条件下的电机，那么定子电流看似常量，且旋转磁通矢量是静止的。最终，希望控制定子电流来获得期望的转子电流（不可直接测量得到）。通过参考坐标变换，可使用标准控制环，如同控制直流量一样实现对定子电流的控制。矢量控制综述间接矢量控制的过程总结如下： 1. 测量 3 相定子电流。这些测量可得到 ia 和 ib 的值。可通过以下公式计算出 Ic ： ia + ib + ic = 0。 2. 将 3 相电流变换至 2 轴系统。该变换将得到变量 iα 和iβ，它们是由测得的ia 和ib 以及计算出的ic 值变换而来。从定子角度来看，iα 和 iβ 是相互正交的时变电流值。 3. 按照控制环上一次迭代计算出的变换角，来旋转 2 轴系统使之与转子磁通对齐。 iα 和 iβ 变量经过该变换可得到 Id 和 Iq。 Id 和 Iq 为变换到旋转坐标系下的正交电流。在稳态条件下，Id和Iq是常量。 4. 误差信号由 Id、Iq 的实际值和各自的参考值进行比较而获得。 • Id 的参考值控制转子磁通 • Iq 的参考值控制电机的转矩输出 • 误差信号是到 PI 控制器的输入 • 控制器的输出为 Vd 和 Vq，即要施加到电机上的电压矢量 5. 估算出新的变换角，其中 vα、 vβ、 iα 和 iβ 是输入参数。新的角度可告知 FOC 算法下一个电压矢量在何处。 6. 通过使用新的角度，可将 PI 控制器的 Vd 和 Vq 输出值逆变到静止参考坐标系。该计算将产生下一个正交电压值 vα 和 vβ。 vα 和 vβ 值经过逆变换得到 3 相值 va、vb 和 vc。该 3 相电压值可用来计算新的 PWM 占空比值，以生成所期望的电压矢量。图 6 显示了变换、PI 迭代、逆变换以及产生 PWM 的整个过程。 7. 本应用笔记的以下部分将详细描述这些步骤。 DS01078B_CN 第6 页  2010 Microchip Technology Inc.

图 6： ω REF  - 矢量控制框图 IQREF PI IDREF  -  - PI PI Vq Vd θ Vα Vβ d,q α,β Park 逆变换 Iq Id iα iβ d,q α,β Park 变换位置速度 (ω ) 位置和速度估算器 AN1078 3 相电桥 ia ib 电机 SVM Clarke 逆变换 α,β a,b,c Clarke 变换 Vα Vβ  2010 Microchip Technology Inc. DS01078B_CN 第7 页

AN1078 坐标变换通过一系列坐标变换，可间接确定不随时间变化的转矩和磁通值，并可采用经典的 PI 控制环对其进行控制。控制过程起始于 3 相电机电流的测量。实际应用中，三个电流值的瞬时和为零。这样仅测量其中两个电流即可得到第三个电流值。因此，可通过去除第三个电流传感器来降低硬件成本。使用 dsPIC DSC 也可通过单分流的方式实现 3 相电流的测量。更多信息，请与 Microchip 联系。欲获取单分流算法的详细说明，请参见 AN1299，《PMSM 无传感器 FOC 的单分流三相电流重构算法》（DS01299A_CN）。 Clarke 变换第一次坐标变换，称为 Clarke 变换，它将一个 3 轴、2 维的定子坐标系变换到 2 轴的定子坐标系中（见图 7，其中 ia、 ib 和 ic 为各相电流）。图 7： CLARKE 变换 a b (c) Clarke α β b ia + ib + ic = 0 iα = ia iβ = (ia +2ib)/√ 3 β iβ is iα a,α c Park 变换现在，已使定子电流在一个两坐标轴分别标为 α、 β 的 2 轴正交系中得以表达。下一步将其变换到另一个正在随着转子磁通旋转的 2 轴系统中。这种变换就是 Park 变换，如图 8 所示。该 2 轴旋转坐标系的坐标轴称为 d- q 轴。 θ 表示转子角度。图 8： PARK 变换 β q iα iβ θ Park Iq Id Id = iα cosθ + iβ sinθ Iq = -iα sinθ + iβ cosθ iβ Iq is d θ α Id iα 种PI 控制采用常规方法，并包含了一个（Kc.Excess） PI 控制使用三个 PI 环分别控制相互影响的三个变量。转子转速、转子磁通和转子转矩分别由单独的 PI 模块控制。这项来抑制积分饱和，如图 9 所示。 Excess 是无限输出（U）和有限输出（Out）之差。 Kc 项与 Excess 相乘，限制累积积分部分（Sum）。图 9： InRef  - PI 控制 • KP Err Ki E RR + • dt• 输出 FB （反馈） U = Sum + Kp.Err Err = InRef - FB If (U > Outmax) else if (U < Outmin) else Excess = U - Out Out = Outmax Out = Outmin Out = U Sum = Sum + (Ki.Err)-(Kc.Excess) DS01078B_CN 第8 页  2010 Microchip Technology Inc.

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