空間矢量調(diào)制SVPWM算法在Renesas單片機(jī)課件

永磁同步電機(jī)控制展望與電機(jī)轉(zhuǎn)子位置估算研究中心郭西龍2015-06-16內(nèi)容提要1.直流無(wú)刷電機(jī)幾種控制方式比較2.直流無(wú)刷電機(jī)控制展望3.SVPWM控制基本原理4.FOC控制基本原理5.永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置估算——滑模觀測(cè)器算法六步換相法的原理—PWM直流無(wú)刷電機(jī)幾種控制方式比較SPWM的原理直流無(wú)刷電機(jī)幾種控制方式比較SVPWM框圖直流無(wú)刷電機(jī)幾種控制方式比較FOC框圖直流無(wú)刷電機(jī)幾種控制方式比較DTC控制方式直流無(wú)刷電機(jī)幾種控制方式比較矩陣式交—交變頻控制方式直流無(wú)刷電機(jī)幾種控制方式比較幾種電機(jī)控制方式的異同1１.六步換相法—PWM(SinusoidalPulseWidthModulation)，控制簡(jiǎn)單實(shí)用,是較通用的直流無(wú)刷電機(jī)控制方式，在要求不高的行業(yè)得到了普遍使用。成本低，入門(mén)快，但噪聲較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)差，不方便位置控制。２.

SPWM(SinusoidalPulseWidthModulation)的信號(hào)波為正弦波，就是正弦波等效成一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形，其脈沖寬度是由正弦波和三角波自然相交生成的。SPWM雖然可以得到三相正弦電壓，但直流側(cè)的電壓利用率較低，這是此方法的最大的缺點(diǎn)，噪聲較六步換相法(PWM)控制有明顯改善，效率也略高。

３.

SVPWM(SpaceVectorPulseWidthModulation)的出發(fā)點(diǎn)與SPWM不同，SPWM調(diào)制是從三相交流電源出發(fā)，其著眼點(diǎn)是如何生成一個(gè)可以調(diào)壓調(diào)頻的三相對(duì)稱(chēng)正弦電源。而SVPWM是將逆變器和電動(dòng)機(jī)看成一個(gè)整體，用八個(gè)基本電壓矢量合成期望的電壓矢量，建立逆變器功率器件的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，并依據(jù)電機(jī)磁鏈和電壓的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)恒磁通變壓變頻調(diào)速。若忽略定子電阻壓降，當(dāng)定子繞組施加理想的正弦電壓時(shí)，由于電壓空間矢量為等幅的旋轉(zhuǎn)矢量，故氣隙磁通以恒定的角速度旋轉(zhuǎn)，軌跡為圓形。SVPWM和SPWM的性能接近，但SVPWM電壓利用率高15%，這是兩者最大的區(qū)別。兩者在諧波的大致方向上是一致的，只不過(guò)SPWM易于硬件電路實(shí)現(xiàn)，而SVPWM更適合于數(shù)字化控制系統(tǒng)。直流無(wú)刷電機(jī)幾種控制方式比較4.

FOC(Field-OrientedControl)是建立在SVPWM基礎(chǔ)上，增加了電流環(huán)的閉環(huán)回路。而SVPWM的電流是開(kāi)環(huán)控制，在控制中一般Vd設(shè)定為0，Vq根據(jù)速度反饋調(diào)整，但由于PARK反變換中給定的αβ靜止坐標(biāo)系和dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系夾角θ的誤差及齒槽效應(yīng)的影響等，得出的結(jié)果不一定準(zhǔn)，所以SVPWM對(duì)電機(jī)要求較高，否則要針對(duì)電機(jī)調(diào)整參數(shù)。噪音方面FOC和SVPWM類(lèi)似，都很低；若增加編碼器，動(dòng)態(tài)響應(yīng)都較高，可實(shí)現(xiàn)位置控制；由于增加了電流環(huán)，F(xiàn)OC的效率和可靠性較SVPWM高矢量控制變頻調(diào)速的做法是將交流電動(dòng)機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子電流Ia、Ib、Ic通過(guò)三相-二相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流

Iα、Iβ，再通過(guò)按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流Id、Iq(Id相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流；Iq相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流)，然后模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制方法，求得直流電動(dòng)機(jī)的控制量，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的控制。其實(shí)質(zhì)是將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，分別對(duì)速度，磁場(chǎng)兩個(gè)分量進(jìn)行獨(dú)立控制。通過(guò)控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時(shí)代的意義。幾種電機(jī)控制方式的異同2直流無(wú)刷電機(jī)幾種控制方式比較5.

DTC(DirectTorqueControl)控制其實(shí)質(zhì)不是間接地控制電流、磁鏈等量，而是把轉(zhuǎn)矩直接做為被控制量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因而不需矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜變換。DTC控制具有快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)、很高的速度精度、高轉(zhuǎn)矩精度，其最大缺陷是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大。為克服此缺點(diǎn)又發(fā)展了DTC和矢量控制相結(jié)合的控制算法SVM-DTC控制。1985年，德國(guó)魯爾大學(xué)的DePenbrock教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術(shù)。該技術(shù)以新穎的控制思想、簡(jiǎn)潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。目前，該技術(shù)已成功地應(yīng)用在電力機(jī)車(chē)牽引的大功率交流傳動(dòng)上。

直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計(jì)算;它不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，也不需要為解耦而簡(jiǎn)化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。6.矩陣式交—交變頻控制方式：前５種控制方式都是交—直—交變頻中的一種，其共同缺點(diǎn)是輸入功率因數(shù)低、諧波電流大、直流回路需要大的存儲(chǔ)電容，再生能量又不能反饋回電網(wǎng)，即不能進(jìn)行四象限運(yùn)行。矩陣式交—交變頻控制方式能克服以上弱點(diǎn)，由于其省去了中間直流環(huán)節(jié)，從而省去了體積大、價(jià)格貴、壽命短的電解電容。它能實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為1，輸入電流為正弦且能四象限運(yùn)行，系統(tǒng)的功率密度大。目前該技術(shù)尚未成熟，但仍吸引著眾多的學(xué)者深入研究。

幾種電機(jī)控制方式的異同3直流無(wú)刷電機(jī)幾種控制方式比較正弦化，隨著MCU高速化發(fā)展，算法實(shí)現(xiàn)不是問(wèn)題，價(jià)格也越來(lái)越低，正弦化不可避免。像ARM的M0單片機(jī)價(jià)格與8位機(jī)價(jià)格差不多，很多公司都有推出，完全可以實(shí)現(xiàn)正弦控制。

ST、新唐、NXP、FREESCALE等廠家有推出集成化，把單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)、動(dòng)率、DC-DC等全部或部分集成在一個(gè)芯片上。特別適合小型內(nèi)嵌型電機(jī)。

TI、羅姆等都有推出。智能化，電機(jī)參數(shù)識(shí)別、自適應(yīng)。通訊接口多樣化，UART、422、485、CAN等。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)代表另一個(gè)發(fā)展方向。直流無(wú)刷電機(jī)控制展望直流無(wú)刷電機(jī)控制展望AD轉(zhuǎn)換和PWM占空比調(diào)整要足夠快，對(duì)于限流每個(gè)PWM周期都調(diào)整占空比，避免剎車(chē)和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過(guò)大而進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)或損壞MOS。BLDC控制力矩與電流成正比，為了較小噪音和震動(dòng)，盡可能減小電流脈動(dòng)，在換相時(shí)增加電流補(bǔ)償。BLDC六步法控制心得BLDC六步法控制心得FOC是建立在SVPWM基礎(chǔ)上的，如FOC框圖中，得到Vα、Vβ后，通過(guò)SVPWM，計(jì)算出六路PWM的占空比驅(qū)動(dòng)功率器件。FOC控制基本原理

黎工給我們講過(guò)SVPWM的課，下面我們參考他的課件學(xué)習(xí)一下SVPWM的內(nèi)容。FOC與SVPWM的關(guān)系六步換相法的原理一種三相BLDC的結(jié)構(gòu)原理示意圖六步換相法的原理以向量的觀點(diǎn)來(lái)分析六步換相法，對(duì)于三相電機(jī)，不管是交流電機(jī)，感應(yīng)電機(jī)還是BLDC，其線圈都是按如下方式排列：在結(jié)構(gòu)上保證電角度互差120度六步換相法的原理由于六步換相法只能產(chǎn)生六種基本向量。比如下面所示的電壓向量（120度導(dǎo)通型）。六步換相法的原理180度導(dǎo)通型，圖中括號(hào)內(nèi)數(shù)字代表A,B,C三相的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，1代表上管開(kāi)，下管關(guān)；0代表上管關(guān)，下管開(kāi)。六個(gè)基本電壓空間矢量和兩個(gè)零矢量如下圖所示。六步換相法的原理轉(zhuǎn)子實(shí)際上是進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)，從上面的描述我們可以知道，轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)過(guò)60度電角度內(nèi)，定子磁場(chǎng)都只能產(chǎn)生一個(gè)固定方向的驅(qū)動(dòng)力（因?yàn)槊?0度電角度只產(chǎn)生一個(gè)電壓矢量），這就使得定子只能產(chǎn)生正六邊形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。為了取得更好的驅(qū)動(dòng)效果，最好能在每個(gè)60度電角度內(nèi)發(fā)出更多的電壓矢量，從而形成更多邊型的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使之逼近圓形。通常采用SVPWM方式實(shí)現(xiàn)上述目的。SVPWM原理SVPWM，即空間矢量PWM，英文全稱(chēng)是SpaceVectorPWM。其原理是采用六個(gè)基本空間矢量中相鄰的兩個(gè)，通過(guò)線性組合的方式，來(lái)產(chǎn)生任意角度的合成矢量。從應(yīng)用的角度來(lái)說(shuō)，我們希望在知道所需產(chǎn)生的合成矢量的角度和幅值的情況下，獲得用于合成的兩個(gè)基本矢量及每個(gè)矢量的作用時(shí)間。SVPWM原理以180度導(dǎo)通型為例，不同的開(kāi)關(guān)組合可以得到6個(gè)互差60度的基本空間矢量SVPWM原理空間矢量調(diào)制可采用相鄰兩個(gè)基本空間矢量的矢量和來(lái)表征任一合成矢量。在下圖中，Uout是期望的合成矢量。該矢量位于U60和U0之間的區(qū)間內(nèi)。如果在給定的PWM周期T內(nèi)，U0的輸出時(shí)間為T(mén)1/T而U60的輸出時(shí)間為T(mén)2/T，則整個(gè)周期內(nèi)的平均矢量將為Uout。Tpwm=t1+t2+t0t0為零矢量作用時(shí)間。SVPWM原理如圖中所示，在PWM周期T中，矢量T1輸出時(shí)間為T(mén)1/T，矢量T2輸出時(shí)間為T(mén)2/T。在一個(gè)周期內(nèi)的剩余時(shí)間內(nèi)將輸出空矢量。MCU器件配置為中心對(duì)齊PWM模式，即強(qiáng)制沿周期中心對(duì)稱(chēng)。這種配置將在每一個(gè)周期內(nèi)產(chǎn)生兩個(gè)線－線脈沖。有效的開(kāi)關(guān)頻率加倍了，在不增加功率器件開(kāi)關(guān)損耗的情況下可降低紋波電流。SVPWM原理定義U0為0度，矢量逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正方向（即U60=60度，U120=120度……），則各矢量合成方法如下：扇區(qū)0（0~60度）,各相占空比分配如下：A相=t1+t2+t0/2B相=t2+t0/2C相=t0/2SVPWM原理SVPWM原理扇區(qū)1（60~120度）,各相占空比分配如下：A相=t1+t0/2B相=t1+t2+t0/2C相=t0/2SVPWM原理扇區(qū)2（120~180度）,各相占空比分配如下：A相=t0/2B相=t1+t2+t0/2C相=t2+t0/2SVPWM原理扇區(qū)3（180~240度）,各相占空比分配如下：A相=t0/2B相=t1+t0/2C相=t1+t2+t0/2SVPWM原理扇區(qū)4（240~300度）,各相占空比分配如下：A相=t2+t0/2B相=t0/2C相=t1+t2+t0/2SVPWM原理扇區(qū)5（300~360度）,各相占空比分配如下：A相=t1+t2+t0/2B相=t0/2C相=t1+t0/2矢量控制的起源我們知道直流電機(jī)有優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)調(diào)速特性。能不能使交流電機(jī)（直流無(wú)刷電機(jī)本質(zhì)也是交流電機(jī)，電機(jī)本體流過(guò)的是交流電）調(diào)速系統(tǒng)像直流電機(jī)一樣去控制呢？矢量控制方法給出了肯定的答案。矢量控制理論是由德國(guó)的F.Blaschke在1971提出，40年后的今天廣泛應(yīng)用在電機(jī)控制領(lǐng)域。任何電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩都是由主磁場(chǎng)和電樞磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生的。因此，為了弄清交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能為什么不如直流電動(dòng)機(jī)的原因，我們將分析直流電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)。直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電路和電樞電路是相互獨(dú)立的；主磁場(chǎng)和電樞磁場(chǎng)在空間是互差90度電角度；因此可以通過(guò)獨(dú)立地調(diào)節(jié)兩個(gè)磁場(chǎng)中的一個(gè)來(lái)進(jìn)行調(diào)速。矢量控制的實(shí)質(zhì)是將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，分別對(duì)速度，磁場(chǎng)兩個(gè)分量進(jìn)行獨(dú)立控制。通過(guò)控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。FOC控制基本原理產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的3種方法—三相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)1三相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)FOC控制基本原理眾所周知，任意多相繞組通過(guò)以多相平衡的電流，都能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。為了找出在三相交流電動(dòng)機(jī)上模擬直流電動(dòng)機(jī)控制轉(zhuǎn)矩的規(guī)律，對(duì)下面3種旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)進(jìn)行分析。產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的3種方法—三相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)2三相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)FOC控制基本原理產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的3種方法—兩相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)1兩相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)FOC控制基本原理產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的3種方法—兩相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)2兩相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)FOC控制基本原理產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的3種方法—旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)體上流過(guò)的直流電流FOC控制基本原理3種方法的等效轉(zhuǎn)換產(chǎn)生3種旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的電流波形如果用上述3種方法產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)是相同的，則認(rèn)為這時(shí)的三相磁場(chǎng)、兩相磁場(chǎng)、旋轉(zhuǎn)直流磁場(chǎng)系統(tǒng)是等效的。因此，這3種旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間可以進(jìn)行等效轉(zhuǎn)換。通常，把三相交流系統(tǒng)向兩相交流系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換稱(chēng)為Clarke變換，或稱(chēng)3/2變換；兩相系統(tǒng)向三相系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換稱(chēng)為Clarke逆變換，或稱(chēng)2/3變換；把兩相交流系統(tǒng)向旋轉(zhuǎn)直流系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換稱(chēng)為Park變換，或稱(chēng)交/直變換；旋轉(zhuǎn)直流系統(tǒng)向兩相交流系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換稱(chēng)為Park逆變換，或稱(chēng)直/交變換。FOC控制基本原理矢量坐標(biāo)變換示意圖1FOC控制基本原理矢量坐標(biāo)變換示意圖2ST庫(kù)文件采用的坐標(biāo)變換示意圖，很顯然他們坐標(biāo)軸β與我們上面提到的坐標(biāo)方向相反，其他的都一樣。FOC控制基本原理FOC控制框圖–STFOC控制基本原理CLARKE變換Clarke變換(或3/2變換)公式：Clarke逆變換(或2/3變換)公式：FOC控制基本原理CLARKE變換-STClarke變換(或3/2變換)公式：FOC控制基本原理PARK變換Park變換(或交/直變換)公式：Park逆變換(或直/交變換)公式：FOC控制基本原理PARK變換-STPark變換(或交/直變換)公式：Park逆變換(或直/交變換)公式：FOC控制基本原理CLARKE逆變換-ST的SVPWM1FOC控制基本原理CLARKE逆變換-ST的SVPWM2FOC控制基本原理FOC控制電機(jī)相電壓波形圖FOC控制基本原理FOC控制與SVPWM控制一樣，相電壓波形不是正弦波，而是馬鞍形（濾去PWM高頻），但線電壓由于相電壓諧波分量的抵消，還是正弦波。FOC控制電機(jī)相電壓波形圖分解FOC控制基本原理?yè)?jù)分析，相電壓是基波分量和三次三角波分量的合成。FOC控制心得FOC控制心得1.關(guān)于無(wú)傳感器控制，啟動(dòng)是最大的問(wèn)題，設(shè)定好啟動(dòng)曲線很關(guān)鍵。PCB布線很重要，若布線不合理，可能啟動(dòng)不起來(lái)。高壓電機(jī)，霍爾做為位置反饋，最好提高霍爾供電，以提高抗干擾。FOC控制心得FOC控制心得PI參數(shù)調(diào)整，開(kāi)始設(shè)計(jì)時(shí)參數(shù)設(shè)定較隨意，后來(lái)寫(xiě)了個(gè)通訊軟件，可把參數(shù)實(shí)時(shí)的通過(guò)串口發(fā)送到電腦，然后調(diào)整PI參數(shù)看目標(biāo)值和實(shí)際值的變化曲線，從而較好的調(diào)整了PI參數(shù)。FOC控制心得FOC控制心得5.霍爾做為位置反饋，位置角是根據(jù)霍爾信號(hào)換算出來(lái)的，在每個(gè)霍爾信號(hào)的跳變點(diǎn)同步到相應(yīng)的位置角，其他時(shí)刻的角度根據(jù)速度計(jì)算，所以在霍爾信號(hào)的跳變點(diǎn)位置角可能有跳變。若有跳變會(huì)造成相電流的突變，有尖峰出現(xiàn)，增加噪音和功率器件損壞的風(fēng)險(xiǎn)。為了解決此問(wèn)題，在霍爾信號(hào)的跳變點(diǎn)位置角不進(jìn)行同步，只是為在下一個(gè)霍爾信號(hào)的跳變點(diǎn)追趕過(guò)來(lái)而進(jìn)行補(bǔ)償，所以位置角很平滑，沒(méi)有跳變，從而解決問(wèn)題。FOC控制心得FOC控制心得6.關(guān)于SVPWM控制，推薦《電動(dòng)機(jī)的DSP控制：TI公司DSP應(yīng)用（第