直流永磁同步無刷電機

1、FOC電機(dinj)控制技術(shù)介紹FOC電機控制技術(shù)背景1FOC電機控制坐標變換簡介2FOC無位置傳感器運行簡介3使用dsPIC實現(xiàn)FOC4共四十三頁FOC電機控制技術(shù)背景1FOC電機(dinj)控制技術(shù)介紹共四十三頁FOC電機(dinj)控制技術(shù)背景 六步換向法控制永磁同步電機具有結(jié)構(gòu)、控制相對(xingdu)簡單等特點，但缺點是轉(zhuǎn)矩脈動比較大，效率較低，磁場定向控制（Field Oriented Control， FOC）給電機控制提出了一個新概念，可以有效減小轉(zhuǎn)矩脈動、顯著提高系統(tǒng)效率。共四十三頁FOC電機(dinj)控制技術(shù)背景在六步換向法中，定子(dngz)磁場扭矩只有六個方向共四十

2、三頁FOC電機(dinj)控制技術(shù)背景轉(zhuǎn)子在60范圍內(nèi)受力方向始終不變，造成定子(dngz)磁場形成的扭力與轉(zhuǎn)子力臂軸的夾角不能維持在90度，而且轉(zhuǎn)矩力度也沒有精確控制，這樣的控制方法不利于提高電機效率及動態(tài)響應。共四十三頁FOC電機(dinj)控制技術(shù)背景FOC的概念(ginin)就是，讓定子磁場形成的扭力始終與轉(zhuǎn)子力臂軸相垂直，也就是說，站在轉(zhuǎn)子的角度，有個力量在力臂垂直的角度始終朝一個方向推動它。共四十三頁FOC電機(dinj)控制技術(shù)背景Q：1.FOC（Field Oriented Control，磁場定向控制） 與 SVPWM（空間矢量(shling)脈寬調(diào)制，SpaceVector

3、PulseWidthModulation）的相同點與不同點是什么？2.FOC 怎樣保證驅(qū)動力與轉(zhuǎn)子力臂軸垂直？該測量什么信號作為參考？共四十三頁FOC電機(dinj)控制技術(shù)背景FOC（Field Oriented Control，磁場定向控制） 與 SVPWM（空間(kngjin)矢量脈寬調(diào)制，SpaceVectorPulseWidth Modulation）的相同點與不同點共四十三頁FOC電機(dinj)控制技術(shù)背景相同點：在負載(fzi)、電壓、電流等條件穩(wěn)定的情況下，兩者輸出均為三相正弦波電壓，相電流也同樣是正弦波。共四十三頁FOC電機(dinj)控制技術(shù)背景不同點：FOC 以磁場定向

4、為控制依據(jù)，通過PID運算，使磁場作用力方向始終跟蹤轉(zhuǎn)子位置，三相輸出電壓的相位、角度在負載突變情況下不一定和轉(zhuǎn)子位置同步；而SVPWM只是(zhsh)根據(jù)轉(zhuǎn)子位置設(shè)定三相正弦波的輸出電壓，電壓的相位、角度始終與轉(zhuǎn)子同步。PS：三相電機的正弦波，是指電機相線間的波形，而不是相線對地的波形。共四十三頁FOC電機(dinj)控制技術(shù)背景FOC 怎樣保證磁場(cchng)驅(qū)動力與轉(zhuǎn)子力臂軸的相對？該測量什么信號作為參考？共四十三頁FOC電機(dinj)控制技術(shù)背景該測量什么信號作為參考？在定子設(shè)計的正常工作范圍內(nèi)（定子工作在非飽和區(qū)間的類線性范圍），定子電流在定子鐵心上產(chǎn)生的磁感應強度與定子電流成正

5、比，所以(suy)測量定子電流即可按比例得到磁感應強度的大小等等信息。共四十三頁FOC電機(dinj)控制技術(shù)背景使用兩個數(shù)學變換(binhun)：Clarke 變換和 Park 變換，根據(jù)A、B兩相電流計算出相對轉(zhuǎn)子的q、d軸的作用電流，也即相當于得到相對于轉(zhuǎn)子力臂垂直方向和軸向的作用力。共四十三頁FOC電機(dinj)控制技術(shù)介紹FOC電機控制坐標變換簡介2共四十三頁FOC電機控制坐標(zubio)變換簡介2.1 CLARKE 變換(binhun)共四十三頁FOC電機控制坐標變換(binhun)簡介Clarke 變換就是將三相磁場力矢量(shling)轉(zhuǎn)換成X、Y軸上的分量。也即將三軸系統(tǒng)

6、變換成兩軸系統(tǒng)。ABC共四十三頁FOC電機控制坐標變換(binhun)簡介為了(wi le)計算方便，我們以A相電流正方向為X軸正方向，其余兩相分別與A相相差120BAC共四十三頁FOC電機控制坐標變換(binhun)簡介去掉電機模型，三相(sn xin)電流方向大小如圖，注意電機任意時刻，三相(sn xin)線圈電流的矢量和等于零。ABC共四十三頁FOC電機控制坐標變換(binhun)簡介將三相電流矢量(shling)投影在X軸和Y軸上求得X方向和Y軸方向上的合成矢量之后，就完成了 Clarke 變換，也即兩軸系統(tǒng)。我們得到兩個分量： 和分量。ABC共四十三頁FOC電機控制坐標(zubio)

7、變換簡介2.2 PARK 變換(binhun)共四十三頁FOC電機控制(kngzh)坐標變換簡介PARK 變換(binhun)就是將相對于定子的坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成相對于轉(zhuǎn)子的坐標系統(tǒng)，這是根據(jù)當時轉(zhuǎn)子的實際位置轉(zhuǎn)換的。ABC共四十三頁FOC電機控制坐標(zubio)變換簡介根據(jù)轉(zhuǎn)子(zhun z)實際位置建立坐標，以轉(zhuǎn)子(zhun z)力臂方向為Y軸，垂直方向為X軸，A/B/C三個分量使用完畢不再需要。共四十三頁FOC電機(dinj)控制坐標變換簡介將坐標軸轉(zhuǎn)至容易觀察的位置，alpha及beta在兩軸上的投影就是q分量及d分量，q分量是推動轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)(ynzhun)的力量，而d分量對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生勵磁效

8、應。qd共四十三頁FOC電機(dinj)控制技術(shù)介紹FOC無位置傳感器運行簡介3共四十三頁FOC無位置(wi zhi)傳感器運行簡介由于電機反電動勢與轉(zhuǎn)子位置一一對應，這給電機的無傳感器運行帶來可能，但由于每個相線在整個正弦周期始終處于通電狀態(tài)，我們無法像方波驅(qū)動電機那樣(nyng)直接通過測量反電勢來判斷電機的位置，所以要通過建立電機模型，通過檢測電流的變化來推斷電機的反電動勢。共四十三頁FOC無位置傳感器運行(ynxng)簡介電機(dinj)的數(shù)學模型構(gòu)成：輸入電壓 Vs；電機及引線內(nèi)阻 R；電機繞組電感L；電機反電動勢 es等組成，由Vs輸入電壓在后面負載上產(chǎn)生電流。共四十三頁FOC無位

9、置傳感器運行(ynxng)簡介參數(shù)說明：R/L應是電機A/B兩相間所測參數(shù)的1/2，電感使用LCR測試儀 1K檔測試為準，電阻以0.5-1A電流下的壓降計算值為準。而圖中的Vs，可以簡化為V，V分量(fn ling)的運算，也就是 Clarke 變換之后的運算，得到的電機反電動勢 es，es可直接用來做arctg 求角度。共四十三頁FOC無位置傳感器運行(ynxng)簡介三相拓撲：按照此拓撲圖，在程序中A相為(xin wi)PWM1所控制，B相為PWM2所控制，所測電流也與之對應。共四十三頁FOC電機(dinj)控制技術(shù)介紹使用dsPIC實現(xiàn)FOC4共四十三頁使用(shyng)dsPIC實現(xiàn)F

10、OC3.1 單片機實現(xiàn)FOC 所需要(xyo)的條件共四十三頁單片機實現(xiàn)(shxin)FOC 所需要的條件1.位置傳感器分辨率至少高于1度（電角度）；2.需要至少同時采樣 A、B兩相電流，同時還要兼顧其他諸如電源電壓、調(diào)速電壓、溫度等模擬量，AD精度10BIT以上；3.由于 Clarke 變換、Park 變換以及后面的逆運算、PID運算均需要大量乘法運算，所以單指令周期乘法器是必須的；4. 所有以上運算均需在一個(y )PWM周期內(nèi)完成。5.具備馬達驅(qū)動所需3組互補型PWM，并且要有較高的PWM分辨率；6.若干外部中斷、定時器等外設(shè)。共四十三頁使用(shyng)dsPIC實現(xiàn)FOC3.2 ds

11、PIC33EP系列(xli)簡介共四十三頁dsPIC33EP系列(xli)簡介70MIPs 最高指令執(zhí)行速度10位1.1 Msps 或12 位500 Ksps 轉(zhuǎn)換：2路和4 路同時采樣（10 位ADC） 6通道16 位電機(dinj)控制PWM + 2通道16 位電機控制PWM乘法器，單指令周期的乘、加指令，16*16=32bit （DSP內(nèi)核）18指令周期除法器70MIPs時消耗電流僅60mA(FJ系列40MIPs時90mA）多種外設(shè)供選擇。共四十三頁dsPIC 中 Q15數(shù)制簡介一種小于等于1的小數(shù)數(shù)據(jù)表示(biosh)為二進制補碼數(shù)的表示(biosh)方法，其中最高位定義為符號位，小數(shù)

12、點隱含于符號位之后。這種格式通常被稱為1.15 （或Q15）格式，其中1 是用來表示數(shù)據(jù)的整數(shù)部分的位數(shù)，而15 是用來表示小數(shù)部分的位數(shù)。采用這種隱含小數(shù)點的16 位二進制補碼表示的小數(shù)范圍為-1.0 （0 x8000）至 0.999969482 （0 x7FFF）， 包括0.0。dsPIC33EP系列(xli)簡介共四十三頁例如：十六進制(sh li jn zh)數(shù) 0X80FE，轉(zhuǎn)換成小數(shù)就是 0X80FE = -32514/32768 -0.992248535;十六進制數(shù) 0X00FE，轉(zhuǎn)換成小數(shù)就是 0X00FE = 254/32767 0.0077517014069;小數(shù) -0.6

13、6，轉(zhuǎn)換成Q15 型十六進制數(shù) -0.66 = -0.66*32768 0X AB86;小數(shù)-0.66，轉(zhuǎn)換成Q15 型十六進制數(shù) 0.66 = 0.66*32767 0X547A；dsPIC33EP系列(xli)簡介共四十三頁dsPIC 中 AD通道使用注意事項：dsPIC 都有四個采樣保持通道，它們可以同時采樣并保持四個模擬電壓，但四個采樣通道在AD引腳分配上有一定局限性，只有CH0采樣通道能任意采樣所有AD引腳電壓，其他CH1，CH2，CH3的正輸入只能組合采樣 AN0，1，2，或者 AN3，4，5，或者AN6，7，8等等，組合順序是定死的，這些需要(xyo)在硬件線路中加以注意。dsP

14、IC33EP系列(xli)簡介共四十三頁dsPIC33EP系列(xli)簡介共四十三頁使用(shyng)dsPIC實現(xiàn)FOC3.3 基于dsPIC33EP的無位置(wi zhi)傳感器 FOC DEMO程序簡介共四十三頁使用(shyng)dsPIC實現(xiàn)FOC共四十三頁使用(shyng)dsPIC實現(xiàn)FOC / Calculate qIa,qIb MeasCompCurr();/A,B兩相電流檢測及誤差校正 / Calculate commutation angle using estimator CalculateParkAngle();/無位置傳感器 轉(zhuǎn)子角度反推 / Calculate q

15、Id,qIq from qSin,qCos,qIa,qIb ClarkePark();/Clarke運算和Park運算， / Calculate control values DoControl();/控制部分，包括開環(huán)、閉環(huán)時 根據(jù)Iq 和Id 所做的 PI運算，得到輸出的Vs / Calculate qSin,qCos from qAngle SinCos();/根據(jù)角度計算 Sin值和Cos值 / Calculate qValpha, qVbeta from qSin,qCos,qVd,qVq InvPark(); /Park 反變換 / Calculate Vr1,Vr2,Vr3 fr

16、om qValpha, qVbeta CalcRefVec();/根據(jù)Valpha、Vbeta計算 A/B/C三相(sn xin)的電壓值，其中包含了反 Clarke 運算 / Calculate and set PWM duty cycles from Vr1,Vr2,Vr3 CalcSVGen();/根據(jù) A/B/C三相的電壓值轉(zhuǎn)換成對應的 PWM 占空比以上程序段在PMSM.C的AD 中斷函數(shù)或者 AD的DMA中斷函數(shù)中執(zhí)行。共四十三頁使用(shyng)dsPIC實現(xiàn)FOC3.4 使用(shyng)dsPIC33EP的無位置傳感器 FOC DEMO程序參數(shù)設(shè)置共四十三頁可供參考文件(wnjin)AN1078 dsPIC實現(xiàn)(shxin)無傳感器磁場定向控制/wwwAppNotes/AppNotes.aspx?appnote=en530042AN1078 調(diào)整指南/downloads/en/AppNotes/70638A.pdf無傳感器風扇控制器視頻：/v_show/id_XNzQ2MDEzNjQw.html 共四十三頁內(nèi)容摘要FOC電機控制技術(shù)介紹。也