基于Simulink+DSP代碼生成的永磁電機控制 課件 第1-4章 DSP各模塊介紹-永磁同步電機的磁場定向控制技術

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代碼生成的永磁電機控制汪遠林吳旋趙冬冬華志廣編著1734562DSP各模塊介紹Simulink代碼生成模塊配置無刷直流電機控制技術永磁同步電機的磁場定向控制技術永磁同步電機的直接轉矩控制技術永磁同步電機的模型預測控制技術永磁同步電機無位置傳感器控制技術01DSP各模塊介紹TMS320F2833532位元浮點數字控制器150MHz高速處理能力哈佛結構高速處理能力適用于實時處理系統(tǒng)，具有強大的數據處理能力?？梢允箶祿椭噶顑Υ娌僮魍瑫r進行，提高了運行效率擁有多種外設，功能豐富，在電機控制，并網逆變器，航空航天，通信等領域被廣泛使用1.1時鐘與中斷模塊圖1?1時鐘與鎖相環(huán)電路原理圖時鐘控制信號是F28335各個部分運行的“基準”，時鐘頻率直接影響了控制器的運行速度和控制器的穩(wěn)定性。F28335時鐘信號原理如圖1?1所示。通過外部振蕩器或者外接晶振、外部引腳XCLKIN產生時鐘源，之后通過鎖相環(huán)電路將時鐘倍頻至150MHz，即F28335工作的主頻時鐘。1.1時鐘與中斷模塊供給低速外設模塊如SPI、MCBSP這些串口通信協(xié)議，圖1?2系統(tǒng)與外設時鐘鎖相環(huán)電路可以根據需要的時鐘頻率將時鐘源配置成所需要的時鐘信號。鎖相環(huán)電路低速時鐘信號高速時鐘信號供給高速外設模塊如A\D模塊、DMA模塊、ePWM模塊、eCAP模塊、eQEP模塊圖1?3GPIO原理框圖F28335共有88個GPIO口每個GPIO口都有多個功能，但是同一時刻，每個GPIO口都只能使用一個功能A組GPIO0~GPIO31B組GPIO32~GPIO63C組GPIO64~GPIO871.2GPIO介紹F28335是一款數字處理器，只能對數字信號進行運算處理，無法對模擬信號進行處理。F28335想要對電壓、電流、速度等模擬信號進行處理的話只能通過ADC將模擬信號轉化為數字信號。

1.3AD/DA采集與轉換圖1?4模塊結構框圖F28335片上有1個12位的16通道模/數轉換器，該模/數轉換器是由2個8選1多路切換器和2路采樣保持器構成的。1.3AD/DA采集與轉換

使用ADC模塊時，需要注意的是ADC的輸入電壓范圍為0~3V輸入電壓超過3V就會燒壞ADC模塊采集超出3V的信號可以在前級經過信號調理電路進行處理之后再輸入。轉換之后的數字量為：ADC模塊有兩種工作模式注意順序采樣模式CONVxx的全部4位元都用來決定當前的采樣通道，最高位決定了輸入輸出通道的采樣保持器，其余3位用來確定偏移量。同步采樣模式CONVxx寄存器的最高位不起作用，每個采樣和保持緩沖器對CONVxx寄存器低3位確定的引腳進行采樣。

1.4ePWM調制及子模塊介紹用戶可以通過配置ePWM模塊中的各種寄存器來產生任意頻率、占空比、死區(qū)時間的PWM信號。圖1?5PWM組成單元每個ePWM模塊由兩路ePWM輸出組成，分別為ePWMxA和ePWMxB。F28335中每個ePWM模塊都有獨立的內部結構。每一組ePWM都包括以下7個模塊：時間基準模塊TB比較功能模塊CC動作限定模塊AQ死區(qū)產生模塊DB斬波控制模塊PC事件觸發(fā)模塊ET故障捕獲模塊TZ1.5eQEP編碼介紹圖1?6eQEP整體結構圖通過ePWM模塊產生PWM信號來控制電機，通過eQEP模塊可以獲得電機的速度信息、轉子位置信息和方向信息，能對電機進行更高要求的控制。位置計數器及控制單元(PCCU)正交譯碼單元(QDU)定時器基準單元(UTIME)邊沿捕獲單元(QCAP)看門狗電路(QWDOG)F28335兩路eQEP模塊1.5eQEP編碼介紹正交譯碼單元可以設置位置計數器的輸入模式、輸入極性和位置比較同步輸出。位置計數器及控制單元用來配置位置計數器操作模式、位置計數器初始化/鎖存模式和產生同步信號的位置比較邏輯。邊沿捕獲單元主要功能是用于測量單位位置事件之間的時間信息。定時器基準單元，該單元中包含1個32位的定時器，由SYSCLOUKOUT提供時鐘信號，用來為速度計算產生中斷。看門狗電路中包含1個16位的定時器，用來監(jiān)控正交編碼脈沖的狀態(tài)。位置計數器的4種輸入模式1.5eQEP編碼介紹在正交計數模式下，正交譯碼器為位置計數器提供方向信號和時鐘信號。在方向計數模式下，QEPB輸入將提供方向信息。當方向輸入為高電平時，位置計數器在QEPA的上升沿增計數。在增計數模式下，計數器方向為增計數，此時位置計數器課用來測量QEPA輸入信號的頻率。在減計數模式下，計數器方向為減計數，此時位置計數器課用來測量QEPA輸入信號的頻率。位置計數器的4種輸入模式1.6eCAP捕獲功能介紹F28335中設置了eCAP模塊來處理脈沖量，通過捕獲脈沖量的上升沿與下降沿來計算脈沖的寬度和占空比。所以捕獲單元可以用于電機轉速測量、位置傳感器脈沖時間測量、脈沖周期和占空比測量的場合。圖1?7eCAP工作模式捕獲外部脈沖模式可以捕獲外部輸入信號獲得其各種信息脈沖發(fā)生器模式可以用該模塊輸出PWM信號F28335共有6組eCAP模塊，每個eCAP模塊都可以工作在捕獲外部脈沖模式和脈沖發(fā)生器模式(APWM)兩種工作模式下。傳輸方式硬件開銷小傳輸成本低傳輸速度慢適合遠距離傳輸將信息逐位按順序在數據在線傳輸串行通訊特點傳輸方式傳輸速度快傳輸線路多硬件開銷大不適合遠距離傳輸將信息同時在多位數據在線傳輸并行通訊特點1.7通信接口通訊包含兩大類：串行通訊和并行通訊串行通訊的方式全雙工兩根資料線，發(fā)送和接收可以同時進行半雙工一根數據線，可發(fā)送和接收，但不能同時進行單工一根數據線，發(fā)送和接受是固定的串行通訊分為兩大類：同步通訊和異步通訊同步通訊常常使用同一時鐘而異步通訊使用各自的時鐘1.7通信接口F28335共有3個SCI接口，為了減小串口通信時CPU的使用，F28335串口支持16級深度的FIFO圖1?8SCI與CPU界面圖同時SCI接收器和發(fā)送器具有獨立的中斷位和使能位，可以獨立工作在半雙工模式或者全雙工模式下。SCI—串行通訊接口F28335CAN模塊CAN協(xié)議內核消息控制器內存管理單元+郵箱RAM+控制和狀態(tài)寄存器1.7通信接口全稱為“ControllerAreaNetwork”是一種多主方式的串行通訊總線，是國際上應用最廣泛的現場總線之一。CAN總線是一種分布式的控制總線，它的網絡由很多CAN節(jié)點構成，每個節(jié)點均由MCU、CAN控制器和CAN收發(fā)器構成，使用雙絞線連接到CAN網絡中。圖1?9CAN結構圖CAN--控制器局域網1734562DSP各模塊介紹Simulink代碼生成模塊配置無刷直流電機控制技術永磁同步電機的磁場定向控制技術永磁同步電機的直接轉矩控制技術永磁同步電機的模型預測控制技術永磁同步電機無位置傳感器控制技術02Simulink代碼生成模塊配置本章首先介紹了Matlab/Simulink代碼生成所需要的開發(fā)環(huán)境，其次對代碼生成中所需要用到的各種模塊進行詳細描述以便后續(xù)實驗開展，包括時鐘配置、中斷配置、GPIO配置、AD/DA配置、eQEP配置、eCAP配置和通訊模塊配置。2.1代碼生成開發(fā)環(huán)境本節(jié)主要介紹利用Simulink代碼生成的開發(fā)環(huán)境配置，包括軟件下載和硬件支持包。需要的下載文件有：Matlab2018bCodeComposerStudio10.1.0ControlSUITE3.4.9C2000Ware_1_00_05硬件支持包

EmbeddedCoderSupportPackageforTexasInstrumentsC2000Processors點擊主頁→附加功能→管理附加功能，點擊安裝；選擇TI全部文件包；檢查TIcontrolSUITE、TICodeComposerStudio和TIC2000Ware三個文件是否存在;選擇三個安裝包的配置路徑，該路徑必須選擇正確;最終安裝和配置成功界面如右下圖所示。具體方法步驟見附錄Ⅰ硬件支持包安裝及Matlab與CCS相關聯方法驟2.1代碼生成開發(fā)環(huán)境Matlab/Simulink中還需要進行相關設置，因為本書中的所用的實驗芯片是TMS320F28335，所以所有設置都是基于該芯片完成的。讀者可根據不同系列芯片自行調整，但整體配置邏輯相同。具體方法步驟見附錄Ⅱ在模型設置中的硬件實現部分，附錄Ⅱ中所示圖片可供參考。根據所選用芯片和硬件電路不同，可做出適當調整。2.2時鐘配置基于TMS320F28335的系統(tǒng)主頻是150MHz，在配置時鐘時，可以選擇系統(tǒng)自動設置各模塊時鐘頻率，也可以自行定義。具體步驟：在Simulink—Configuration-HardwareImplementation—Hardwareboard中選擇TIDelfinoF2833x，Hardwareboardsettings—Targethardwareresources—Group—Clocking中進行時鐘配置。DesiredCPUClockinMHZ：DSP28335的主頻為150MHZ；Oscillatorclock（OSCCLK）frequencyinMHZ：振蕩器提供30MHZ時鐘信號；AUTOsetPLLbasedonOSCCLKandCPUclock：系統(tǒng)默認勾選此框，勾選此框，下面的都默認設置，即設置CPU時鐘為150MHZ，高速時鐘75MHZ，低速時鐘37.5MHZ；不勾選此框則可以進行用戶自己配置。圖2?1系統(tǒng)時鐘配置2.3中斷配置基于定時器中斷的執(zhí)行調度模型不能滿足某些實時應用程序對外部事件響應的要求。C28x硬件中斷塊通過允許異步處理由C280x/C2833xDSP芯片支持庫中其他塊管理的事件觸發(fā)的中斷來解決這個問題。當C28x硬件中斷塊有一個外部中斷選擇時，該選擇啟用所選GPIO引腳上的中斷。如需配置這些引腳，如圖2?2所示。一個中斷由CPU中斷號、PIE中斷號、任務優(yōu)先級和搶占標志來描述。CPU和PIE中斷號一起唯一地指定了單個外設或外設模塊的單個中斷。該模塊的輸出是一個函數調用。函數調用線的大小等于該模塊設置要處理的中斷數量。每個中斷由塊對話框中顯示的四個參數表示。圖2?2中斷配置2.4GPIO配置為指定的引腳配置GPIO輸入和限定類型設置，如圖2?3所示。GPIOGroup：選擇需要查看或配置的GPIO引腳組。Sampletime：指定輸出樣本之間的時間間隔。如果要從上游塊繼承采樣時間，該參數設置為-1。Datatype：指定輸入的數據類型。輸入被讀取為16位整數，然后強制轉換為所選的數據類型。有效的數據類型是auto,double,single,int8,uint8,int16,uint16,int32,uint32或boolean。圖2?3GPIO輸入配置2.4.1GPIO配置2.4GPIO配置在普通模式下，塊輸入處的True值將把GPIO引腳拉高。False值將使引腳接地。在Toggle模式下，模塊輸入的True值將轉換GPIO引腳的實際輸出電平。False值對GPIO引腳的輸出電平沒有影響。圖2?4GPIO輸出配置2.4.2GPIO輸出配置GPIOGroup：選擇需要查看或配置的GPIO引腳組。ToggleGPIO：對于每個選擇輸出的引腳，您可以選擇切換該引腳的信號。

在Toggle模式下，模塊輸入處的True值切換GPIO引腳輸出級別。因此，如果GPIO引腳在Toggle模式下被驅動到高電平，輸入端的值為True，則引腳輸出電平被驅動到低電平。如果GPIO引腳在Toggle模式下被驅動到低電平，并且在塊的輸入端值為True，則同樣的引腳輸出電平被驅動到高電平。2.5AD/DA配置ADCControl（1）Module：指定使用哪個DSP模塊:（2）Conversionmode：用于信號的采樣類型:（3）Startofconversion：觸發(fā)轉換開始的信號（4）Sampletime：為選定ADC通道轉換的連續(xù)采樣組之間的時間。（5）Datatype：輸出數據的數據類型。有效的數據類型為auto、double、single、int8、uint8、int16、uint16、int32或uint32。（6）Postinterruptattheendofconversion：勾選此框可在轉換集的末尾觸發(fā)一個異步中斷。圖2?5ADC配置2.5.1ADCControl2.5AD/DA配置圖2?6InputChannels界面（1）Numberofconversions：用于模數轉換的ADC通道數量。（2）Conversionno.1/2/3：與每個轉換號關聯的特定ADC通道。在過采樣模式下，給定ADC信道上的信號可以在單個轉換序列中被采樣多次。若要過采樣，請為多個轉換指定同一通道。轉換后的樣本輸出為單個向量。（3）Usemultipleoutputports：如果使用多個ADC通道進行轉換，可以為每個輸出使用單獨的端口，并在塊上顯示輸出端口。如果使用多個通道且不使用多個輸出端口，則數據將在單個向量中輸出。InputChannels2.5.2InputChannels2.6ePWM模塊配置PWM(脈寬調制)是對脈沖寬度進行調制的技術，即通過對一系列的脈沖的寬度進行調制，來等效的獲得所需要的波形。F28335的每個ePWM模塊相互獨立，并由ePWMxA和ePWMxB組成。可以配置為兩路獨立的單邊沿PWM輸出，或者兩路獨立的但相互對稱的雙邊沿PWM輸出以及一對雙邊沿非對稱的PWM輸出，共有6對這樣的ePWM模塊，因為每對PWM模塊中的兩個PWM輸出均可以單獨使用，所以也可以認為有12路單路ePWM。圖2?7ePWM2.6.1General2.6ePWM模塊配置EnableePWMA：使能ePWMA。CMPAunits：確定CMPA單位，時鐘周期——“Clockcycle”或是百分比——“Percentages”。SpecifyCMPAvia：指定脈寬來源。根據對話框填寫——“Specifyviadialog”或者輸入端口——“Inputport”。圖2?9ePWM配置2.6.2ePWM2.6ePWM模塊配置死區(qū)Deadbandunit接口可以為死區(qū)生成器(DB)子模塊指定參數UsedeadbandforePWM1A：使能ePWM1A死區(qū)。UsedeadbandforePWM1B：使能ePWM1B死區(qū)。Deadbandpolarity：死區(qū)極性。圖2?10死區(qū)Deadbandunit2.6.3Deadbandunit2.6ePWM模塊配置AH：高電平有效AL：低電平有效AHC：高電平有效互補ALC：低電平有效互補Signalsourceforrisingedge(RED)：上升信號源，選擇參考信號上升沿。Signalsourceforfallingedge(FED)：下降信號源，選擇參考信號下降沿。Deadbandperiodsource：死區(qū)時間確定方式，可以選擇通過對話框填寫——“Specifyviadialog”或者輸入端口——“Inputport”確定。Risingedge(RED)deadbandperiod(0~1023)：確定上升沿死區(qū)時間。Fallingedge(FED)deadbandperiod(0~1023)：確定下降沿死區(qū)時間。圖2-11死區(qū)類型2.6.3Deadbandunit死區(qū)類型2.7eQEP模塊配置（1）Module（默認eQEP1）：eQEP外圍模塊，用于獲取位置、方向和速度信息。有eQEP1、eQEP2和eQEP3三個模塊。（2）Positioncountermode：eQEP外圍輸入有QEPA、QEPB、QEPI和QEPS。（3）Positiverotation：設置旋轉方向。（4）Quadraturedirectionflagoutputport（默認off）：在模塊上創(chuàng)建一個輸出端口(qdf)，該端口提供正交模塊的方向標志。（5）InvertinputQEPxApolarity（默認off）、InvertinputQEPxBpolarity（默認off）、InvertinputQEPxIpolarity（默認off）（6）Indexpulsegatingoption（默認off）：啟用外圍輸入索引信號與外圍輸入提示事件信號的門控。（7）Sampletime：要異步執(zhí)行此塊，將此參數設置為-1。圖2?12eQEP-General界面2.7.1General2.8eCAP模塊配置Operatingmode：功能選擇——eCAP（默認）或APWM。eCAPxpin：選擇使用的eCAP腳。Counterphaseoffsetvalue：在APWM模式下使用。Syncoutputselection：使一個eCAP計數器與其他eCAP計數器同步。圖2?13eCAP模塊General2.8.1General2.8eCAP模塊配置Eventprescaler：輸入信號的預分頻是該參數值的兩倍。Selectmodecontrol：將其設置為Continue模式。Stopvalueafter：捕獲該參數事件數后停止。Enableresetcounteraftercaptureevent1time-stamp：eCAP進程在收到一個捕獲事件的時間戳后重置該計數器。Selectcaptureevent1polarity：捕獲上升沿或下降沿。圖2?14eCAP2.8.2eCAP2.9通信接口配置SCI模塊屬于異步串口通訊，可配置為全雙工，也可配置為半雙SCI發(fā)送模塊使用指定的SCI硬件模塊傳輸標量或矢量數據。一個模型只能包含一個SCI發(fā)送模塊。C28x處理器有四個SCI模塊-A、B、C和D。可用的SCI模塊數量因所選處理器而異。1）SCImodule：選擇用于通信的SCI模塊。2）Additionalpackageheader：位于發(fā)送的數據包的開頭的數據，不包含在傳輸的數據中，表示數據的開始。頭文件必須用ASCII字符表示。3）Additionalpackageterminator：位于發(fā)送的數據包的結尾的數據，不包含在傳輸的數據中，表示數據的結束。頭文件必須用ASCII字符表示。4）Waituntilpreviousdatatransmitted：選擇此參數時，傳輸操作將在阻塞模式下運行。SCITransmit圖2?15SCITransmit2.9.1SCI配置2.9通信接口配置——SCI配置SCI接收模塊支持處理器和其他異步外圍設備之間的異步串行數字通信。該塊使用指定的SCI硬件模塊接收標量或矢量數據。1）SCImodule：選擇用于通信的SCI模塊。2）Additionalpackageheader：位于發(fā)送的數據包的開頭的數據，不包含在傳輸的數據中，表示數據的開始。3）Numberofretriesforheaderreceivecheck：此參數確保將預期的標頭作為接收數據的一部分進行檢查。當在FIFO中接收到數據時，模塊逐個驗證接收到的數據中的標頭。4）Additionalpackageterminator：位于發(fā)送的數據包的結尾的數據，不包含在傳輸的數據中，表示數據的結束5）Datalengthoption：選擇模塊的數據長度。SCIReceive圖2?16SCIReceive2.9.1SCI配置2.9通信接口配置圖2?17eCAN傳輸模塊eCAN傳輸模塊生成通過eCAN郵箱傳輸增強控制器局域網絡(eCAN)消息的源代碼。處理器上的eCAN模塊提供串行通信能力，并有32個可配置的郵箱用于接收或發(fā)送。Module：選擇使用的eCAN模塊，F28335有eCANA和eCANB。Mailboxnumber（0-31）：對于標準模式，從0到15，對于增強CAN模式，從0到31。該數字指的是RAM中的郵箱區(qū)域。Messageidentifier：消息標識符對于標準幀大小為11位，對于擴展幀大小(十進制、二進制或十六進制)為29位。對于二進制和十六進制格式，分別使用bin2dec('')和hex2dec('')來轉換條目。Messagetype：消息標識符的類型，為11位和29位元的消息標識符。eCANTransmitCAN總線是一種分布式的控制總線，它的網絡由很多CAN節(jié)點構成。2.9.2CAN配置2.9通信接口配置——CAN配置圖2?18eCAN

接收模塊eCANReceive模塊生成通過eCAN郵箱接收增強的控制器局域網絡(eCAN)消息的源代碼。處理器上的eCAN模塊提供串行通信能力，并有32個可配置的郵箱用于接收或發(fā)送。Module：選擇使用的eCAN模塊，F28335有eCANA和eCANB。Mailboxnumber（0-31）：對于標準模式，從0到15，對于增強CAN模式，從0到31。Messageidentifier：消息標識符對于標準幀大小為11位，對于擴展幀大小(十進制、二進制或十六進制)為29位。Sampletime：新消息將導致從郵箱發(fā)送函數調用。如果希望僅在新消息到達時更新消息輸出，則需要異步執(zhí)行該塊。eCANReceive2.9.2CAN配置1734562DSP各模塊介紹Simulink代碼生成模塊配置無刷直流電機控制技術永磁同步電機的磁場定向控制技術永磁同步電機的直接轉矩控制技術永磁同步電機的模型預測控制技術永磁同步電機無位置傳感器控制技術03無刷直流電機控制技術無刷直流電機擁有廣泛的發(fā)展前景，在航天航空系統(tǒng)、國防軍事裝備、科學儀器、工業(yè)自動化裝備、交通運輸、醫(yī)療器械、計算機信息外圍設備、辦公自動化設備、家電民用消費產品中有著越來越廣泛的應用。無刷直流電機無刷直流電機具有一系列優(yōu)點，以電子換向取代了機械換向，大大提高了可靠性，維護方便，特性優(yōu)異，調速方便，可四象限運行控制性能好運行效率高低速性能好調速范圍寬起動轉矩大調速性能穩(wěn)無刷直流電機的定子由堆疊的硅鋼片組成，并且其上帶有軸向切槽轉子主要由永磁體組成，根據轉子位置不同BLDCM可分為內置式和表貼式兩種3.1無刷直流電機的結構圖3-2轉子位置不同的BLDCM圖3-1無刷直流電機結構無刷直流電機

由三個部分組成定子用永磁材料制造轉子帶有線圈繞組位置傳感器可有可無無刷直流永磁電動機的典型運行方式是“二相導通星形三相六狀態(tài)”.電動機運行時，每相電樞繞組持續(xù)通電120°電角度．相鄰兩個磁狀態(tài)之間的空間夾角為60°電角度3.2無刷直流電機的工作原理圖3-3無刷直流電動機組成框圖無刷直流永磁電動機控制系統(tǒng)由電動機本體、轉子位置傳感器、直流電源和控制器四部分所構成3.2無刷直流電機的工作原理圖3-4無刷直流電動機原理圖通過霍爾傳感器傳給控制器轉子的位置，從而給六個管子分配相應的PWM信號控制這些開關管的導通和截止，其控制方式采用二二導通方式。圖3-5正轉時繞組和各開關管導通順序假設電機逆時針轉動時，如（a）此時電機轉子處于1扇區(qū)，此時AC相導通，開關管V1和V2導通，定子磁場和轉子相對位置如（a）所示；當轉子處于第二扇區(qū)時，相對位置如（b）所示。3.2無刷直流電機的工作原理圖3-7轉子位置與換向關系圖二二導通的理論的直觀闡述圖3-6三相定子繞組空間扇區(qū)圖每個扇區(qū)中，霍爾傳感器輸出的編碼不會改變，電機轉子離開扇區(qū)后，傳感器發(fā)送與電機轉子所在新扇區(qū)的新編碼。無刷直流電機的性能與氣隙磁場分布、繞組形式相關。本節(jié)以方波電動機為例，氣隙磁場波形為方波，如圖3-8所示。其寬度大于120°電角度，繞組為集中整距式繞組，感應的電勢為梯形波，其平頂寬度大于120°電角度，采用方波電流驅動，提供三相對稱寬度為120°電角度的方波電流。圖3-9為反電勢與方波電流。3.3無刷直流電機的氣隙磁場和電樞反應圖3-8方波氣隙磁場圖3-9反電勢與方波電流假設電動機工作在AB相繞組導通的磁狀態(tài)范圍，在空間的合成磁動勢如圖所示。電樞磁動勢在剛開始時為最大去磁，然后逐漸減小，在1/2磁狀態(tài)時不去磁不增磁，后半個磁狀態(tài)逐漸增磁并達到最大值。3.3無刷直流電機的氣隙磁場和電樞反應圖3-10無刷直流電機的電樞反應交軸電樞磁動勢對主磁場的作用是使氣隙磁場波形畸變。對于表貼式永磁體，永磁體本身的磁阻很大，引起氣隙磁場畸變較小。對于內嵌式永磁體，轉子磁極磁阻小，導致氣隙磁場較大畸變，產生去磁作用?；魻杺鞲衅骶哂薪Y構簡單、價格低廉、安裝靈活、方便等優(yōu)點，因此一般需要采用霍爾傳感器對轉子的位置進行檢測，從而為控制器提供換向時間的信息。3.4霍爾傳感器的工作原理圖3-11霍爾傳感器工作原理當霍爾處于不同極性時的磁場就會產生兩個極性相反數值相同的，霍爾在不同極性的磁場時會輸出不同的數字量。在BLDCM控制系統(tǒng)中，轉子的安裝采用N、S兩種形式交替布置，在轉子旋轉時，霍爾傳感器在交替變化的磁場中會產生不同的數值。BLDCM系統(tǒng)霍爾傳感器的工作原理，如圖3-11所示。

(3.1)如圖3-12所示即為理想反電動勢即對應三相繞組電流和霍爾信號示意圖。三相繞組的反電動勢和電流對應，同時反電勢和霍爾信號對應圖也可以直觀看出。 3.4霍爾傳感器的工作原理圖3-12理想反電勢、相電流和霍爾傳感器信號.表3-1霍爾信號電平狀態(tài)以及對應導通情況開關區(qū)間0-6060-120120-180180-240240-300300-360開關順序123456HA111000HB001110HC100011A相OFF++OFF--B相--OFF++OFFC相+OFF--OFF+注：表3-1中三相電流A、B和C方向為：OFF表示沒有電流流過，“+”則代表輸入電流，“-”則代表輸出電流。無刷直流電機分析電路時，只用分析三相定子繞組的電路原理，如圖接法為星型時的電路等效圖3.5無刷直流電機的數學模型圖3-13定子等效電路模型

依據等效電路模型可以得出無刷直流電機三相定子電壓平衡方程為

(3.2)(3.3)(3.4)電磁轉矩是電動機旋轉磁場各極磁通與轉子電流相互作用而在轉子上形成的旋轉力矩，其大小等于通過氣隙傳到轉子上的功率比轉子的機械角速度。3.6無刷直流電機在Simulink中仿真建模

電磁功率

可以表示為

因此

電磁轉矩

又可表示為

控制系統(tǒng)的

運動方程

為

電磁轉矩可以表示為電磁功率電磁轉矩運動方程電磁轉矩(3.6)(3.5)(3.7)(3.8)仿真模型中所用電機參數如表3-2所示。仿真條件設置為：仿真步長1e-5s，解算方法為固定步長，ode4算法，仿真時長0.5s，初始時刻轉速給定100rpm，3.6無刷直流電機在Simulink中仿真建模符號參數單位數值額定電壓48額定電流10額定轉矩1電阻0.10.1永磁體磁鏈0.0175轉動慣量0.0005極對數-4表3-2電機參數圖3-14BLDC仿真模型電機的轉速、轉矩曲線和霍爾傳感器信號如圖所示，3.6無刷直流電機在Simulink中仿真建模仿真結果(a)轉速變化曲線(b)轉矩變化曲線(c)霍爾傳感器信號在無刷直流電機控制中，霍爾換相是其關鍵部分，此處采用三個GPIO引腳分別獲取霍爾三路信號HALL_U，HALL_V和HALL_W，依據3.6節(jié)中的換相順序得到6路開關信號，可直接輸入給功率器件，如圖3-16所示。3.7無刷直流電機在Simulink中代碼生成圖3-16無刷直流電機霍爾換相程序無刷直流電機程序3.7.1無刷直流電機程序此處ADC采樣主要獲取三相電流值，如圖317所示。其中AD采集芯片采集到的信號值需要經過“雙重矯正”——零飄消除和系數矯正來獲取正確的實驗數據值。3.7無刷直流電機在Simulink中代碼生成圖3-17ADC采集模塊3.7.2ADC采樣3.7無刷直流電機在Simulink中代碼生成圖3-18AD采集模塊配置MemoryCopy模塊設置如圖

（ADSampleResult0

為例）圖3-19ADSampleResult0設置根據AD采集模塊需要對該模塊進行初始化配置，如圖3-18所示。DAC獲取實驗數據同ADC采樣模塊封裝相同，通過SPI總線將DSP28335中數據轉換成模擬量，分別由ModelHeader、ModelSource、SystemInitialize和SystemOutputs四個單元組成，如圖3-20所示。需要說明的是，在硬件設備上，我們并未使用DSP自帶DAC輸出，而是使用了外部芯片AD5734作為DAC輸出信號器。3.7無刷直流電機在Simulink中代碼生成圖3-20DAC數據采集3.7.3DAC獲取數據如果想要查看轉矩波形，可以根據電機的電磁轉矩公式進行如下圖3-21所示設置，由于實際轉矩值比較小，可以將輸出波形放大。3.7無刷直流電機在Simulink中代碼生成圖3-21電磁轉矩的DA輸出名稱解釋備注Ad5734_Write采用Ad5734芯片進行寫操作-0x0000數據地址-speedloop_MTPA_Y“文件名”_“輸出”如果不使用Outport模塊，而采用DataStoreWrite模塊，此處的“_Y”需要更改為“_WORK”。ua實驗變量名稱-1--表3-3DAC輸出數據代碼描述需要說明的是此處共有四個數據輸出點：0x0000、0x1000、0x2000和0x3000，想要獲取相關的實驗數據，只需要對SystemOutputs內容加以修改即可。為了更好地保護電路及元器件安全，有必要設置直流電源使能保護功能和PWM使能保護功能，風扇散熱保護功能可根據功率板實際電路自由選擇。具體在Simulink中搭建如圖3-22所示。3.7無刷直流電機在Simulink中代碼生成圖3-22其他模塊設置其他模塊3.7.4其他模塊實驗使用永磁無刷直流電機，驗證上述代碼生成方式可行。電機運行在7000rpm，負載轉矩10Nm，三相電流波形如圖3-23所示。3.7無刷直流電機在Simulink中代碼生成圖3-23電機A相電流波形實驗結果3.7.5實驗結果1734562DSP各模塊介紹Simulink代碼生成模塊配置無刷直流電機控制技術永磁同步電機的磁場定向控制技術永磁同步電機的直接轉矩控制技術永磁同步電機的模型預測控制技術永磁同步電機無位置傳感器控制技術04永磁同步電機的

磁場定向控制技術磁場定向控制以類似直流電機的控制方式將轉矩和磁鏈解耦控制，其主要手段是利用坐標變化理論將自然坐標系下的電機方程變換成兩相旋轉正交坐標系下的電機方程，再通過PI級聯控制器，逐級控制位置、轉速和電流等信號，擁有良好的控制性能。本章節(jié)主要對永磁同步電機的磁場定向控制技術進行講解，并對其在Simulink中的代碼生成過程進行介紹。4.1坐標變換理論及仿真建模

根據PMSM在自然坐標系下的電壓向量方程以及電磁轉矩方程可知，PMSM的數學模型是一個具有強耦合、高階且多變量的系統(tǒng)要實現轉矩和磁鏈的解耦控制，首先需要將電機的三相電壓方程從三相自然坐標系變換到兩相靜止坐標系，即Clark變換。Clark變換的變換矩陣如下：

4.1.1三相靜止到兩相靜止(4.1)因為轉子是旋轉的，上一步變換是基于定子坐標系，在分析電機動態(tài)方程時，需要站在轉子的角度去看，所以還需要一步將靜止坐標系轉換到旋轉坐標系的步驟，即Park變換,如下：4.1坐標變換理論及仿真建模

4.1.2兩相靜止到兩相旋轉(4.2)(4.3)4.2SVPWM算法生成及仿真建模圖4-1電壓空間向量圖

以圖4-1中的扇區(qū)I為例。根據平衡等效原則可得：其中，T表示對應下角標U的作用時間。SVPWM技術繞組電流波形的諧波成分小，使得電機轉矩脈動降低，旋轉磁場更逼近圓形，而且使直流母線電壓的利用率有了很大提高，且更易于實現數字化?？臻g電壓向量脈寬調制（SVPWM）是由三相功率逆變器的六個功率開關組件組成的特定開關模式產生的脈寬調制波，能夠使輸出電流波形盡可能接近于理想的正弦波形。4.2.1SVPWM理論分析(4.4)

4.2SVPWM算法生成及仿真建模圖4-2電壓空間向量合成示意圖

如果復數向量M已知,則可以唯一解出xa,xb,xc，而在合成電壓空間向量時，需計算相關電壓的作用時間，由圖4?3可得：

4.2.1SVPWM理論分析(4.5)(4.6)(4.7)4.2SVPWM算法生成及仿真建模

4.2.1SVPWM理論分析(4.8)4.2SVPWM算法生成及仿真建模表4-1電壓向量對應扇區(qū)令N=A+2B+4C，根據N的大小判斷參考電壓向量位于哪一個扇區(qū)，如表4?1所示：N123456扇區(qū)ⅡⅥⅠⅣⅢⅤ

4.2.1SVPWM理論分析(4.9)4.2SVPWM算法生成及仿真建模

根據圖4-2（書籍中出現錯誤）可以得出

同理，可以得到其他扇區(qū)各向量的作用時間。

則各扇區(qū)的作用時間如

表4?2所示（以第一扇區(qū)為例）4.2.1SVPWM理論分析(4.11)(4.10)(4.12)N1234564.2SVPWM算法生成及仿真建模表4-2各矢量在各扇區(qū)的作用時間N123456ZY-Z-XX-YY-XXZ-Y-Z同樣地，以第一扇區(qū)為例，定義如下

三相電壓開關切換時間點Tcm1、Tcm2和Tcm3與各扇區(qū)的關系如表4?3所示。表4-3各扇區(qū)開關切換時間點4.2.1SVPWM理論分析(4.13)在MATLAB/Simulink中自帶有SVPWM模塊，如圖4-3所示4.2SVPWM算法生成及仿真建模圖4-3SVPWM模塊功能圖首先是Datatypeofinputreferencevector(輸入參考向量的數據類型)，該項功能中有三個選項。分別是alpha-betacomponents、Magnitude-Angle、Internallygenerated。在alpha-betacomponents模式下，輸入為靜止坐標系下的α、β分量，而在Magnitude-Angle模式下，輸入為電壓的幅值與相角，Internallygenerated中不用外部變量輸入，只需要進行調制系數、角度以及電壓頻率進行設置即可。4.2.2SVPWM仿真模型4.2SVPWM算法生成及仿真建模圖4-4SVPWM仿真模型

(b)X、Y、Z計算(a)扇區(qū)判斷SVPWM各部分模型4.2.2SVPWM仿真模型圖4-5SVPWM各部分模型4.2SVPWM算法生成及仿真建模(c)電壓作用時間計算(e)開關切換時間(f)開關信號獲取

圖4-5SVPWM各部分模型（續(xù)）永磁同步電機的定子與普通電勵磁同步電機的定子一樣都是三相對稱繞組。因此，按照電機慣例規(guī)定各物理量的正方向，對永磁同步電機數學模型做以下假設：(1)忽略電機轉子阻尼繞組；(2)忽略電機運行時磁路飽和，認為磁路線性，電感參數不變；(3)忽略電機鐵心渦流與磁滯損耗；(4)假設電機三相定子電樞繞組產生的感應電動勢為正弦波；4.3PMSM的數學模型及仿真建模永磁同步電機具有結構簡單、運行可靠、體積小、質量輕、損耗小、效率高,電機的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優(yōu)點。本身是一種強耦合、復雜的非線性系統(tǒng)，4.3.1PMSM的數學模型4.3PMSM的數學模型及仿真建模首先對在自然坐標系下，對永磁同步電機進行數學建模，根據永磁同步電機定轉子結構可得在三相坐標系中電壓向量方程如下：

PMSM的定子磁鏈表達式為：

4.3.1PMSM的數學模型(4.14)(4.15)4.3PMSM的數學模型及仿真建模

電機的機械運動方程為：

PMSM中常用的轉換關系有：

以上的式子則構成了三相永磁同步電機在自然坐標系下的基本數學模型和使用。在控制中常常會引入坐標變換來解決復雜的表達式。4.3.1PMSM的數學模型(4.16)(4.17)(4.18)4.3PMSM的數學模型及仿真建模圖4-6PMSM輸入和輸出首先，需要明確電機的輸入和輸出，本節(jié)展示示例中，PMSM的輸入為負載扭矩TL和兩相靜止坐標系下電壓uα和uβ、磁鏈ψa和ψβ；電機的輸出為三相電流iAiBiC、轉子電角度θe、電機轉速n和dq軸電流idiq，如圖4?6所示。電機內部建模如圖4?7所示，分為六個部分：坐標變換、dq軸模型、三相電流模型、轉矩模型、磁鏈模型和機械運動模型。各部分對應的具體模型如圖4?8所示。圖4-7PMSM內部結構4.3.2PMSM的仿真建模4.3PMSM的數學模型及仿真建模(d)磁鏈模型(e)機械運動模型(a)d軸模型(b)q軸模型(c)轉矩模型PMSM內部各部分建模圖4-8PMSM內部建模4.4PMSM磁場定向控制在Simulink中仿真建模圖4-9FOC控制框圖永磁同步電機的轉子磁場定向控制通過分別控制定子電流的兩個分量，直軸電流id和交軸電流iq，達到控制電磁轉矩的目的，因為d軸與轉子磁場ψf方向一致，因而叫做磁場定向控制(FieldOrientationControl,FOC)，同時也可以叫做矢量控制(VectorControl，VC)。FOC的核心思想是通過坐標變換將三相系統(tǒng)等效為兩相系統(tǒng)，實現了PMSM轉矩和磁鏈兩變量的解耦控制，使交流電機等效為直流電機進行控制，因而具有與直流電機類似的優(yōu)越性能。其結構框圖如圖4?9所示。4.4PMSM磁場定向控制在Simulink中仿真建模在Simulink中搭建仿真模型如圖4?10所示，其中，逆變器采用如圖4?11所示模型搭建。仿真中所用電機參數如表4?4所示。圖4-11逆變器模型圖4-10FOC仿真建模4.4PMSM磁場定向控制在Simulink中仿真建模表4-4電機參數符號參數單位數值額定電壓380額定電流19.7額定轉矩11.8額定轉速3000電阻0.361.5/1.5永磁體磁鏈0.117轉動慣量0.0012極對數-24.4PMSM磁場定向控制在Simulink中仿真建模

(a)轉速變化曲線(b)轉矩變化曲線(c)三相電流變化曲線圖4-12FOC仿真結果4.5PMSM磁場定向控制在Simulink中代碼生成圖4-13SVPWM代碼生成作為載波的三角波不能進行代碼生成這一過程，在三相切換時間Tcm1、Tcm2和Tcm3之前的模塊不用改變，切換時間點之后需要根據PWM波設置進行修改，如果開關管是低有效，則按照圖中需要加入反向操作——“1-占空比”，否則不用添加反向操作4.5.1SVPWM模塊4.5PMSM磁場定向控制在Simulink中代碼生成圖4-14ePWM模塊配置SVPWM波生成之后，輸入到三路ePWM中去即可給開關管輸入開關信號，如圖4?14所示。如果想要改變功率器件的開關頻率，那么只需要更改輸入到“WB”中的“3750”。例如：當ePWM中設置General中TimerPeriod的值為7500，計數模式為增減計數時，寄存器周期為100μs，此時功率器件的開關頻率可以計算為

4.5.1SVPWM模塊為了更好的控制電機運轉，在進行磁場定向控制之前，需要進行 V/F啟動(恒壓頻比啟動)、轉子位置調零和開環(huán)運行三個實驗。4.5PMSM磁場定向控制在Simulink中代碼生成V/F啟動電機轉子位置調零開環(huán)運行V/F控制是永磁同步電機最簡單的一種控制方法，易于實現、價格低廉，圖4-16所示為V/F啟動電機過程，需要輸入的參數如表4-5所示。Fset是輸入頻率，可以根據n=60f/p計算得出轉速大小，U_0是給定電機初始電壓，其值過小可能導致電機無法啟動。當電機給定，可調節(jié)參數即為輸入頻率和給定初始電壓。其中V/F啟動曲線如圖4-17所示。4.5.2開環(huán)運行實驗4.5PMSM磁場定向控制在Simulink中代碼生成圖4-15V/F啟動電機過程表4-5V/F輸入參數符號參數備注Fset輸入頻率Ts周期-k階梯函數臺階高度每周期上升/下降大小UN電機給定電壓-U0給定初始電壓FN電機額定工作頻率圖4-16V/F曲線示意圖磁場定向控制需要明確轉子位置，因此實驗開始前需要對轉子位置進行準確測試。測試結構如圖4-17所示。給定某一個轉子位置角，變換成靜止坐標系下電壓施加到電機上，使電機轉子旋轉到給定電機角度位置。4.5PMSM磁場定向控制在Simulink中代碼生成圖4-17轉子位置調零轉子位置調零此部分介紹編碼器和旋轉變壓器兩種轉子位置信號檢測模型。4.5.2開環(huán)運行實驗在MATLAB/Simulink中使用編碼器進行電機轉子角度測量需要借助C28x_eQEP模塊，根據使用的芯片系列，封裝在不同的芯片庫中。該模塊主要設置General和Positioncounter這兩個選項卡，根據2.7章節(jié)，該模塊可設置為圖4-18所示，4.5PMSM磁場定向控制在Simulink中代碼生成圖4-18C28x_eQEP一、編碼器4.5.2開環(huán)運行實驗測量轉子位置信號可以借助Simulink自帶的位置計算模塊，如圖4-19所示，轉子機械位置信號捕獲如圖4-20(b)、(c)、(d)所示，其中圖4-20(c)中的CountsPerRevolution為4.5PMSM磁場定向控制在Simulink中代碼生成