直流永磁同步无刷电机课件.ppt
FOC电机控制技术介绍,FOC电机控制技术介绍,FOC电机控制技术背景,六步换向法控制永磁同步电机具有结构、控制相对简单等特点，但缺点是转矩脉动比较大，效率较低，磁场定向控制（Field Oriented Control，FOC）给电机控制提出了一个新概念，可以有效减小转矩脉动、显著提高系统效率。,FOC电机控制技术背景,在六步换向法中，定子磁场扭矩只有六个方向,FOC电机控制技术背景,转子在60范围内受力方向始终不变，造成定子磁场形成的扭力与转子力臂轴的夹角不能维持在90度，而且转矩力度也没有精确控制，这样的控制方法不利于提高电机效率及动态响应。,FOC电机控制技术背景,FOC的概念就是，让定子磁场形成的扭力始终与转子力臂轴相垂直，也就是说，站在转子的角度，有个力量在力臂垂直的角度始终朝一个方向推动它。,FOC电机控制技术背景,Q：1.FOC（Field Oriented Control，磁场定向控制）与 SVPWM（空间矢量脉宽调制，SpaceVectorPulseWidthModulation）的相同点与不同点是什么？2.FOC 怎样保证驱动力与转子力臂轴垂直？该测量什么信号作为参考？,FOC电机控制技术背景,FOC（Field Oriented Control，磁场定向控制）与 SVPWM（空间矢量脉宽调制，SpaceVectorPulseWidth Modulation）的相同点与不同点,FOC电机控制技术背景,相同点：在负载、电压、电流等条件稳定的情况下，两者输出均为三相正弦波电压，相电流也同样是正弦波。,FOC电机控制技术背景,不同点：FOC 以磁场定向为控制依据，通过PID运算，使磁场作用力方向始终跟踪转子位置，三相输出电压的相位、角度在负载突变情况下不一定和转子位置同步；而SVPWM只是根据转子位置设定三相正弦波的输出电压，电压的相位、角度始终与转子同步。PS：三相电机的正弦波，是指电机相线间的波形，而不是相线对地的波形。,FOC电机控制技术背景,FOC 怎样保证磁场驱动力与转子力臂轴的相对？该测量什么信号作为参考？,FOC电机控制技术背景,该测量什么信号作为参考？在定子设计的正常工作范围内（定子工作在非饱和区间的类线性范围），定子电流在定子铁心上产生的磁感应强度与定子电流成正比，所以测量定子电流即可按比例得到磁感应强度的大小等等信息。,FOC电机控制技术背景,使用两个数学变换：Clarke 变换和 Park 变换，根据A、B两相电流计算出相对转子的q、d轴的作用电流，也即相当于得到相对于转子力臂垂直方向和轴向的作用力。,FOC电机控制技术介绍,FOC电机控制坐标变换简介,2.1 CLARKE 变换,FOC电机控制坐标变换简介,Clarke 变换就是将三相磁场力矢量转换成X、Y轴上的分量。也即将三轴系统变换成两轴系统。,A,B,C,FOC电机控制坐标变换简介,为了计算方便，我们以A相电流正方向为X轴正方向，其余两相分别与A相相差120,B,A,C,FOC电机控制坐标变换简介,去掉电机模型，三相电流方向大小如图，注意电机任意时刻，三相线圈电流的矢量和等于零。,A,B,C,FOC电机控制坐标变换简介,将三相电流矢量投影在X轴和Y轴上求得X方向和Y轴方向上的合成矢量之后，就完成了 Clarke 变换，也即两轴系统。我们得到两个分量：和分量。,A,B,C,FOC电机控制坐标变换简介,2.2 PARK 变换,FOC电机控制坐标变换简介,PARK 变换就是将相对于定子的坐标系统转换成相对于转子的坐标系统，这是根据当时转子的实际位置转换的。,A,B,C,FOC电机控制坐标变换简介,根据转子实际位置建立坐标，以转子力臂方向为Y轴，垂直方向为X轴，A/B/C三个分量使用完毕不再需要。,FOC电机控制坐标变换简介,将坐标轴转至容易观察的位置，alpha及beta在两轴上的投影就是q分量及d分量，q分量是推动转子运转的力量，而d分量对转子产生励磁效应。,q,d,FOC电机控制技术介绍,FOC无位置传感器运行简介,由于电机反电动势与转子位置一一对应，这给电机的无传感器运行带来可能，但由于每个相线在整个正弦周期始终处于通电状态，我们无法像方波驱动电机那样直接通过测量反电势来判断电机的位置，所以要通过建立电机模型，通过检测电流的变化来推断电机的反电动势。,FOC无位置传感器运行简介,电机的数学模型构成：输入电压 Vs；电机及引线内阻 R；电机绕组电感L；电机反电动势 es等组成，由Vs输入电压在后面负载上产生电流。,FOC无位置传感器运行简介,参数说明：R/L应是电机A/B两相间所测参数的1/2，电感使用LCR测试仪 1K档测试为准，电阻以0.5-1A电流下的压降计算值为准。而图中的Vs，可以简化为V，V分量的运算，也就是 Clarke 变换之后的运算，得到的电机反电动势 es，es可直接用来做arctg 求角度。,FOC无位置传感器运行简介,三相拓扑：按照此拓扑图，在程序中A相为PWM1所控制，B相为PWM2所控制，所测电流也与之对应。,FOC电机控制技术介绍,使用dsPIC实现FOC,3.1 单片机实现FOC 所需要的条件,单片机实现FOC 所需要的条件,1.位置传感器分辨率至少高于1度（电角度）；2.需要至少同时采样 A、B两相电流，同时还要兼顾其他诸如电源电压、调速电压、温度等模拟量，AD精度10BIT以上；3.由于 Clarke 变换、Park 变换以及后面的逆运算、PID运算均需要大量乘法运算，所以单指令周期乘法器是必须的；4.所有以上运算均需在一个PWM周期内完成。5.具备马达驱动所需3组互补型PWM，并且要有较高的PWM分辨率；6.若干外部中断、定时器等外设。,使用dsPIC实现FOC,3.2 dsPIC33EP系列简介,dsPIC33EP系列简介,70MIPs 最高指令执行速度10位1.1 Msps 或12 位500 Ksps 转换：2路和4 路同时采样（10 位ADC）6通道16 位电机控制PWM+2通道16 位电机控制PWM乘法器，单指令周期的乘、加指令，16*16=32bit（DSP内核）18指令周期除法器70MIPs时消耗电流仅60mA(FJ系列40MIPs时90mA）多种外设供选择。,dsPIC 中 Q15数制简介一种小于等于1的小数数据表示为二进制补码数的表示方法，其中最高位定义为符号位，小数点隐含于符号位之后。这种格式通常被称为1.15（或Q15）格式，其中1 是用来表示数据的整数部分的位数，而15 是用来表示小数部分的位数。采用这种隐含小数点的16 位二进制补码表示的小数范围为-1.0（0 x8000）至 0.999969482（0 x7FFF），包括0.0。,dsPIC33EP系列简介,例如：十六进制数 0X80FE，转换成小数就是 0X80FE=-32514/32768-0.992248535;十六进制数 0X00FE，转换成小数就是 0X00FE=254/32767 0.0077517014069;小数-0.66，转换成Q15 型十六进制数-0.66=-0.66*32768 0X AB86;小数-0.66，转换成Q15 型十六进制数 0.66=0.66*32767 0X547A；,dsPIC33EP系列简介,dsPIC 中 AD通道使用注意事项：dsPIC 都有四个采样保持通道，它们可以同时采样并保持四个模拟电压，但四个采样通道在AD引脚分配上有一定局限性，只有CH0采样通道能任意采样所有AD引脚电压，其他CH1，CH2，CH3的正输入只能组合采样 AN0，1，2，或者 AN3，4，5，或者AN6，7，8等等，组合顺序是定死的，这些需要在硬件线路中加以注意。,dsPIC33EP系列简介,dsPIC33EP系列简介,使用dsPIC实现FOC,3.3 基于dsPIC33EP的无位置传感器 FOC DEMO程序简介,使用dsPIC实现FOC,使用dsPIC实现FOC,/Calculate qIa,qIb MeasCompCurr();/A,B两相电流检测及误差校正/Calculate commutation angle using estimator CalculateParkAngle();/无位置传感器 转子角度反推/Calculate qId,qIq from qSin,qCos,qIa,qIb ClarkePark();/Clarke运算和Park运算，/Calculate control values DoControl();/控制部分，包括开环、闭环时 根据Iq 和Id 所做的 PI运算，得到输出的Vs/Calculate qSin,qCos from qAngle SinCos();/根据角度计算 Sin值和Cos值/Calculate qValpha,qVbeta from qSin,qCos,qVd,qVq InvPark();/Park 反变换/Calculate Vr1,Vr2,Vr3 from qValpha,qVbeta CalcRefVec();/根据Valpha、Vbeta计算 A/B/C三相的电压值，其中包含了反 Clarke 运算/Calculate and set PWM duty cycles from Vr1,Vr2,Vr3 CalcSVGen();/根据 A/B/C三相的电压值转换成对应的 PWM 占空比,以上程序段在PMSM.C的AD 中断函数或者 AD的DMA中断函数中执行。,使用dsPIC实现FOC,3.4 使用dsPIC33EP的无位置传感器 FOC DEMO程序参数设置,可供参考文件,AN1078 dsPIC实现无传感器磁场定向控制http:/调整指南http:/,
