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2018-9-19 23:55 上傳
本文檔介紹了使用 FOC 算法實現永磁同步電機（Permanent Magnet SynchronousMotor，PMSM）調整所需的步驟和設置，該算法如 AN1078《PMSM 電機的無傳感器磁場定向控制》（DS01078A_CN）中所介紹。由于不同電機存在參數差異，因此需針對每種新的電機模型對該算法進行調整。了解所使用的 PMSM
在使用FOC算法運行一臺電機前，用戶必須確定該算法是否支持其所使用的電機。FOC算法只適用于正弦波反電動勢的永磁同步電機。
圖 1-1 給出了如何檢測 PMSM 反電動勢的安裝示意圖，包括待測的 PMSM 以及通過連軸器與之連接的另一臺驅動電機。為觀察反電動勢的波形，使驅動電機運行于固定速度（例如， 2000 RPM），并在示波器上觀察其中兩相反電動勢的波形。
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2018-9-19 23:55 上傳
在 dsPICDEM™
MCLV 開發板上成功測試的電機
下列電機均在 dsPICDEM MCLV 開發板上成功通過測試：
•Hurst 電機
電機及其反電動勢波形如圖 1-2 所示。該電機的額定值是 24V， 5 對極， 2500 RPM。
• 伺服電機
伺服電機及其反電動勢波形如圖 1-2 所示。電機的額定值是 24V， 2 對極， 3000 RPM。
這些在dsPICDEM MCLV開發板上采用FOC算法成功測試的電機都是反電動勢為正弦波的永磁同步電機。
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2018-9-19 23:56 上傳
在 dsPICDEM™
MCHV開發板上成功測試的電機
下列電機均在 dsPICDEM MCLV 開發板上成功通過測試：
• 噴涂機電機（定制電機）
噴涂機應用的電機及其反電動勢波形如圖 1-3 所示。該電機額定值是 160 VDC， 3對極， 4000 RPM。
• Dia-80 電機
Dia-80 電機及其反電動勢波形如圖 1-3 所示。該電機的額定值是 220V， 2 對極，3500 RPM
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2018-9-19 23:57 上傳
• Dia-YS50 電機
Dia-YS50 電機及其反電動勢波形如圖 1-4 所示。該電機額定值為 220V （有效值）， 2 對極， 4000 RPM。
• 專業手持工具電機
圖 1-4 中第二個電機即為專業手持工具電機應用及其反電動勢波形。該電機額定值是 120V （有效值），兩對極， 17,000 RPM。
在dsPICDEM MCHV開發板上采用FOC算法成功通過測試的每一種電機皆為反電動勢為正弦波的永磁同步電機。
不適合用 FOC算法運行的電機
本節介紹的是無法在 FOC 算法下運行的電機。
圖 1-5 所示為波形是梯形波的電機。反電動勢是梯形波的無刷直流電機（BrushlessDirect Current， BLDC）無法在 FOC 算法下運行。這些電機的反電動勢波形不是正弦波，因此，它們不能運行至額定轉速或無法在閉環控制時穩定運行。
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2018-9-19 23:59 上傳
圖 1-6 所示為非正弦波電機反電動勢波形。反電動勢波形不是正弦波的無刷直流電機無
法在 FOC 算法下運行。
圖 1-6： 電機非正弦波反電動勢波形
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2018-9-20 00:00 上傳
硬件參數設置
硬件參數：RSHUNT、DIFFAMPGAIN 以及 VDD都位于 UserParms.h 文件中。該文件中的參數根據硬件設計不同而有所變化。例 1-1 展示了 dsPICDEM MCLV 和 MCHV 開發板的硬件參數設置。
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2018-9-20 00:01 上傳
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2018-9-20 00:01 上傳
開環時間應足夠長，使得轉子能夠跟隨定子換相直至達到開環最終轉速（MINSPEEDINRPM）。如果沒有達到，應增加開環時間。
為了讓轉子與旋轉的定子磁通同步，可以把斜坡時間設置為一個更大值。當電機帶負載運行時，需要對斜坡時間進行調整。
當電機轉速斜坡上升到超過某個特定值時，若將初始轉矩的給定值設置得低于要求值將會導致電機停轉。在這種情況下，應當增加轉矩的給定值。如果設置的轉矩給定值高于要求值，將會導致電機的步進旋轉。在這種情況下，就應減小轉矩的給定值。將轉矩給定值設置得很高可能會損壞電路板。
圖 1-11 所示初始轉矩給定值設置為 1A。
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2018-9-20 00:02 上傳
當電機開始運行時，初始轉矩給定值應當足夠大以帶動負載。應確保硬件可支持所要求的轉矩設置。啟動時初始轉矩給定值設置為 1.0，之后每次試啟動都將這個值加倍直到斜升時間結束時轉子和定子磁場轉速達到同步。
電機參數的設置
電機參數：POLEPAIRS、 PHASERES、 PHASEIND、 NOMINALSPEEDINRPM 和MINSPEEDINRPM 都位于 UserParms.h 文件中。電機參數依賴于電機的規范，當測試不同的電機時，應當更新電機參數值。電機參數的設置如例 1-3 所示。
在開環斜坡上升過程中如果電機停止運行，用戶應該增加斜坡上升時間。一旦電機可以運行到斜坡時間結束時，應略微增加初始轉矩電流并減小斜坡時間直到電機運行符合啟動要求。如果轉子在電機通電時發生振蕩并引起電機反轉，則需增加鎖定時間。
圖 1-20 所示為電機開環運行時的電流波形。鎖定時間、斜坡時間和轉矩給定值在電流波形中都有所顯示。
使能數據監視和控制界面（DMCI）/ 實時數據監視（RTDM）變量。啟用 Ialpha、估計的 Ialpha、 Ibeta 和估計的 Ibeta 以確保滑模控制器（SMC）能夠跟蹤測量電流。例 1-5 給出了實現用 RTDM/DMCI 查看變量的代碼設置。
運行電機并通過 DMCI 捕獲數據。電流的估計值必須跟蹤測量值，電流估計值的紋波應該在測量電流峰峰 - 值的 10% 到 30%之間。
實際電流（紅線和綠線）和估計電流（藍線和黃線）的波形如圖 1-21 所示。估計電流的紋波值應該在測得電流的 10% 到 30% 之間。否則，調整 D 軸和 Q 軸的 PI 增益。
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2018-9-20 00:04 上傳
啟用 Ialpha、Ealpha、EalphaFinal 和 Theta 來檢查位置估計結果。例 1-6 顯示了如何使用 RTDM 工具來設置代碼以實現不同變量的查看。
圖 1-22 顯示了四個不同波形間的關系。相位差異是由于每個信號正交特性或濾波器的相位延遲所造成。不同的波形如下所示：
• 綠色和紅色分別是 Ealpha和 Ebeta 波形，它們相位相差 90o。
• 藍色波形是 EalphaFinal。 EalphaFinal 和 EbetaFinal （圖中沒有畫出）
相位相差 90o。 Ealpha和 EalphaFinal 相位相差 45o。
• 黃色波形是估計的 Theta波形。
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2018-9-20 00:05 上傳
確保最終反電動勢沒有噪聲和直流偏移。 Theta 估計值是利用 CORDIC 函數由EalphaFinal 和 EbetaFinal 計算所得。EalphaFinal 和 EbetaFinal 的波形應具有較小的噪聲，這樣才能估計出較為理想的 Theta 波形。
接下來，應對 SMC 參數進行修改。所有的控制器參數都在 UserParms.h 文件中。例1-7 所示為 SMC 的增益和線性區域的設置。
電流的估計值必須跟蹤測量值，應對估計電流紋波值進行調整使其位于測量電流峰 - 峰值的 10% 到 30% 之間。
將MAXLINEARSMC的值設為0.010可以更平穩地追蹤相同峰-峰值的估計紋波。圖1-25所示為不同 MAXLINEARSMC 值時的估計電流波形。最佳的 MAXLINEARSMC 值將會顯著減小估計電流的紋波峰值。
圖 1-26 所示為濾波造成的相位延遲。不同波形的描述如下：
• smc1.Zalpha 是實際信號。
• smc1.Ealpha 信號是由 smc1.Zalpha 經截止頻率等于輸入頻率的單極點數字低通濾波器濾波獲得。因此，兩個信號間有 45o 相位差。
• smc1.EalphaFinal 信號是由 smc1.Ealpha 經截止頻率等于輸入頻率的單極點數字低通濾波器濾波獲得。因此，兩個信號間具有 45o 相位差。
• 最后，信號 smc1.Zalpha 和 smc1.EalphaFinal 之間總共具有 90o 相位差。
PMSM FOC調整步驟 （閉環模式）
通過取消例 1-8 中高亮語句的注釋，可以啟動電機閉環控制。開環轉速斜坡上升后，電機將使用估計的 Theta 實現閉環模式運行。
1.9.1 閉環啟動 dsPICDEM MCLV開發板
1. 逆時針 （CCW）旋轉電位器 （POT1）來設置最小轉速。
2. 使用更新后的軟件程序對 dsPIC DSC 編程。
3. 按下 S2 按鈕使電機開環運行，如圖 1-27 所示。電機轉速經斜坡上升后，電機將在FOC算法控制下自動進入閉環模式。
1.9.2 閉環啟動 dsPICDEM MCHV 開發板
1. 逆時針 （CCW）旋轉電位器 （POT）來設置最小轉速。
2. 用更新后的軟件程序對 dsPIC DSC 編程。
3. 按下 PUSHBUTTON 按鈕使電機開環運行。斜坡上升后，電機將在 FOC 算法控制下自動進入閉環模式。
圖 1-28 中所示的電位器用作轉速參考輸入，按鈕開關控制電機的運行 / 停止。
圖 1-29 說明了閉環運行電機應遵循的步驟。第一步，按下 S2 按鈕，電機自鎖。第二步，開始電機轉速斜坡上升且頻率線性增長。第三步，斜坡上升結束且電機開始閉環運行。在斜升過程中，計算估計的 Theta值并在過渡到閉環模式的過程中使用該值。
1. 按下S2 按鈕，電機將在特定位置被通電，其持續時間由 Lock Time指定。
2. 在Lock Time結束時，電機轉速將以斜坡方式從0RPM上升到最小轉速。該時間由OpenLoop時間指定。
3. 在斜坡上升結束時，將根據估計的 Theta進行換相控制。
1.9.3 閉環模式下調整 ID 和 IQ 的 PI 增益
通過順時針（CW）旋轉電位器（POT）增加轉速參考值來驗證電流的穩定性。電流應穩定，如果需要，調整 ID 和 IQ 軸的 PI 增益和 SMC 估計器的增益。電機轉速從 500 到3000 RPM 的反電動勢波形如圖 1-30 所示。
1.9.4 調整瞬態響應
圖 1-31 顯示如何用 dsPICDEM MCLV 開發板檢測電機的瞬態響應和 FOC 算法。按下S3按鈕，電機給定轉速加倍，通過示波器可以觀察FOC算法下的響應。對于dsPICDEMMCHV 開發板，不可進行該步操作，因為它沒有給定轉速加倍開關。
dsPICDEM MCLV 開發板的最大電流參考值是4.4A，對 于 dsPICDEM MCHV 開發板該值是 16.5A。表中的第一個值始終是零，這意味著在該轉速下（對永磁同步電機而言）沒有進行弱磁。通過實驗嘗試輸入一個合適的負電流值，以符合 FW 速度的要求。
警告
通常，電機制造商給出的最大轉速是在電機沒有損壞的情況下可達到的 （可能比額定電流下的制動點轉速還要高） 。否則，電機可能運行在更高的轉速，但只能是短期的（間歇的），并可能導致電機去磁、機械損壞或與之相連設備的機械損壞的風險。
弱磁模式下，電機運行速度高于標稱轉速，如果出現角度計算錯誤導致控制器失效，那么可能導致變頻器損壞。原因是反電動勢 （BEMF）的值將遠大于標稱轉速下的值，從而超過直流母線電壓值，而變頻器的功率半導體器件和直流母線電容將不得不承受這個值。由于達到最佳狀態之前，調整意味著對迭代系數的校正，因此應對變頻器的相應保護電路進行調整使之能承受更高電壓以防止高速旋轉時出現停轉。
本文提供的調整技術可使 FOC 算法適用于任何永磁同步電機。該算法在 AN1078《PMSM 電機的無傳感器磁場定向控制》（DS01078A_CN）中有所介紹。
許多不同電機的調整是在上述技術基礎上發展實現的，因此 AN1078 中的 FOC 算法和本文調整技術的有效結合，可滿足絕大部分 PMSM 的控制需求。文中所討論的調整技術將有助于減少新項目開發中所花費的時間和精力。
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2018-9-19 19:45 上傳
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