使用FOC算法實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)調(diào)整所需的步驟和設(shè)置-AN1078調(diào)整指南

ID:252765 · 發(fā)表于 2018-9-19 19:46

本文檔介紹了使用 FOC 算法實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet SynchronousMotor，PMSM）調(diào)整所需的步驟和設(shè)置，該算法如 AN1078《PMSM 電機(jī)的無(wú)傳感器磁場(chǎng)定向控制》（DS01078A_CN）中所介紹。由于不同電機(jī)存在參數(shù)差異，因此需針對(duì)每種新的電機(jī)模型對(duì)該算法進(jìn)行調(diào)整。了解所使用的 PMSM
在使用FOC算法運(yùn)行一臺(tái)電機(jī)前，用戶必須確定該算法是否支持其所使用的電機(jī)。FOC算法只適用于正弦波反電動(dòng)勢(shì)的永磁同步電機(jī)。
圖 1-1 給出了如何檢測(cè) PMSM 反電動(dòng)勢(shì)的安裝示意圖，包括待測(cè)的 PMSM 以及通過(guò)連軸器與之連接的另一臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。為觀察反電動(dòng)勢(shì)的波形，使驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)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(dòng)勢(shì)的波形。

在 dsPICDEM™
MCLV 開(kāi)發(fā)板上成功測(cè)試的電機(jī)
下列電機(jī)均在 dsPICDEM MCLV 開(kāi)發(fā)板上成功通過(guò)測(cè)試：
•Hurst 電機(jī)
電機(jī)及其反電動(dòng)勢(shì)波形如圖 1-2 所示。該電機(jī)的額定值是 24V， 5 對(duì)極， 2500 RPM。
• 伺服電機(jī)
伺服電機(jī)及其反電動(dòng)勢(shì)波形如圖 1-2 所示。電機(jī)的額定值是 24V， 2 對(duì)極， 3000 RPM。
這些在dsPICDEM MCLV開(kāi)發(fā)板上采用FOC算法成功測(cè)試的電機(jī)都是反電動(dòng)勢(shì)為正弦波的永磁同步電機(jī)。

在 dsPICDEM™
MCHV開(kāi)發(fā)板上成功測(cè)試的電機(jī)
下列電機(jī)均在 dsPICDEM MCLV 開(kāi)發(fā)板上成功通過(guò)測(cè)試：
• 噴涂機(jī)電機(jī)（定制電機(jī)）
噴涂機(jī)應(yīng)用的電機(jī)及其反電動(dòng)勢(shì)波形如圖 1-3 所示。該電機(jī)額定值是 160 VDC， 3對(duì)極， 4000 RPM。
• Dia-80 電機(jī)
Dia-80 電機(jī)及其反電動(dòng)勢(shì)波形如圖 1-3 所示。該電機(jī)的額定值是 220V， 2 對(duì)極，3500 RPM

• Dia-YS50 電機(jī)
Dia-YS50 電機(jī)及其反電動(dòng)勢(shì)波形如圖 1-4 所示。該電機(jī)額定值為 220V （有效值）， 2 對(duì)極， 4000 RPM。
• 專業(yè)手持工具電機(jī)
圖 1-4 中第二個(gè)電機(jī)即為專業(yè)手持工具電機(jī)應(yīng)用及其反電動(dòng)勢(shì)波形。該電機(jī)額定值是 120V （有效值），兩對(duì)極， 17,000 RPM。
在dsPICDEM MCHV開(kāi)發(fā)板上采用FOC算法成功通過(guò)測(cè)試的每一種電機(jī)皆為反電動(dòng)勢(shì)為正弦波的永磁同步電機(jī)。

不適合用 FOC算法運(yùn)行的電機(jī)
本節(jié)介紹的是無(wú)法在 FOC 算法下運(yùn)行的電機(jī)。
圖 1-5 所示為波形是梯形波的電機(jī)。反電動(dòng)勢(shì)是梯形波的無(wú)刷直流電機(jī)（BrushlessDirect Current， BLDC）無(wú)法在 FOC 算法下運(yùn)行。這些電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)波形不是正弦波，因此，它們不能運(yùn)行至額定轉(zhuǎn)速或無(wú)法在閉環(huán)控制時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖 1-6 所示為非正弦波電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)波形。反電動(dòng)勢(shì)波形不是正弦波的無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)
法在 FOC 算法下運(yùn)行。
圖 1-6：電機(jī)非正弦波反電動(dòng)勢(shì)波形

硬件參數(shù)設(shè)置
硬件參數(shù)：RSHUNT、DIFFAMPGAIN 以及 VDD都位于 UserParms.h 文件中。該文件中的參數(shù)根據(jù)硬件設(shè)計(jì)不同而有所變化。例 1-1 展示了 dsPICDEM MCLV 和 MCHV 開(kāi)發(fā)板的硬件參數(shù)設(shè)置。

開(kāi)環(huán)時(shí)間應(yīng)足夠長(zhǎng)，使得轉(zhuǎn)子能夠跟隨定子換相直至達(dá)到開(kāi)環(huán)最終轉(zhuǎn)速（MINSPEEDINRPM）。如果沒(méi)有達(dá)到，應(yīng)增加開(kāi)環(huán)時(shí)間。
為了讓轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)的定子磁通同步，可以把斜坡時(shí)間設(shè)置為一個(gè)更大值。當(dāng)電機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)，需要對(duì)斜坡時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。
當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速斜坡上升到超過(guò)某個(gè)特定值時(shí)，若將初始轉(zhuǎn)矩的給定值設(shè)置得低于要求值將會(huì)導(dǎo)致電機(jī)停轉(zhuǎn)。在這種情況下，應(yīng)當(dāng)增加轉(zhuǎn)矩的給定值。如果設(shè)置的轉(zhuǎn)矩給定值高于要求值，將會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的步進(jìn)旋轉(zhuǎn)。在這種情況下，就應(yīng)減小轉(zhuǎn)矩的給定值。將轉(zhuǎn)矩給定值設(shè)置得很高可能會(huì)損壞電路板。
圖 1-11 所示初始轉(zhuǎn)矩給定值設(shè)置為 1A。

當(dāng)電機(jī)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，初始轉(zhuǎn)矩給定值應(yīng)當(dāng)足夠大以帶動(dòng)負(fù)載。應(yīng)確保硬件可支持所要求的轉(zhuǎn)矩設(shè)置。啟動(dòng)時(shí)初始轉(zhuǎn)矩給定值設(shè)置為 1.0，之后每次試啟動(dòng)都將這個(gè)值加倍直到斜升時(shí)間結(jié)束時(shí)轉(zhuǎn)子和定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速達(dá)到同步。

電機(jī)參數(shù)的設(shè)置
電機(jī)參數(shù)：POLEPAIRS、 PHASERES、 PHASEIND、 NOMINALSPEEDINRPM 和MINSPEEDINRPM 都位于 UserParms.h 文件中。電機(jī)參數(shù)依賴于電機(jī)的規(guī)范，當(dāng)測(cè)試不同的電機(jī)時(shí)，應(yīng)當(dāng)更新電機(jī)參數(shù)值。電機(jī)參數(shù)的設(shè)置如例 1-3 所示。

在開(kāi)環(huán)斜坡上升過(guò)程中如果電機(jī)停止運(yùn)行，用戶應(yīng)該增加斜坡上升時(shí)間。一旦電機(jī)可以運(yùn)行到斜坡時(shí)間結(jié)束時(shí)，應(yīng)略微增加初始轉(zhuǎn)矩電流并減小斜坡時(shí)間直到電機(jī)運(yùn)行符合啟動(dòng)要求。如果轉(zhuǎn)子在電機(jī)通電時(shí)發(fā)生振蕩并引起電機(jī)反轉(zhuǎn)，則需增加鎖定時(shí)間。

圖 1-20 所示為電機(jī)開(kāi)環(huán)運(yùn)行時(shí)的電流波形。鎖定時(shí)間、斜坡時(shí)間和轉(zhuǎn)矩給定值在電流波形中都有所顯示。
使能數(shù)據(jù)監(jiān)視和控制界面（DMCI）/ 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)視（RTDM）變量。啟用 Ialpha、估計(jì)的 Ialpha、 Ibeta 和估計(jì)的 Ibeta 以確�；？刂破鳎⊿MC）能夠跟蹤測(cè)量電流。例 1-5 給出了實(shí)現(xiàn)用 RTDM/DMCI 查看變量的代碼設(shè)置。

運(yùn)行電機(jī)并通過(guò) DMCI 捕獲數(shù)據(jù)。電流的估計(jì)值必須跟蹤測(cè)量值，電流估計(jì)值的紋波應(yīng)該在測(cè)量電流峰峰 - 值的 10% 到 30%之間。
實(shí)際電流（紅線和綠線）和估計(jì)電流（藍(lán)線和黃線）的波形如圖 1-21 所示。估計(jì)電流的紋波值應(yīng)該在測(cè)得電流的 10% 到 30% 之間。否則，調(diào)整 D 軸和 Q 軸的 PI 增益。

啟用 Ialpha、Ealpha、EalphaFinal 和 Theta 來(lái)檢查位置估計(jì)結(jié)果。例 1-6 顯示了如何使用 RTDM 工具來(lái)設(shè)置代碼以實(shí)現(xiàn)不同變量的查看。

圖 1-22 顯示了四個(gè)不同波形間的關(guān)系。相位差異是由于每個(gè)信號(hào)正交特性或?yàn)V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(lán)色波形是 EalphaFinal。 EalphaFinal 和 EbetaFinal （圖中沒(méi)有畫(huà)出）
相位相差 90o。 Ealpha和 EalphaFinal 相位相差 45o。
• 黃色波形是估計(jì)的 Theta波形。

確保最終反電動(dòng)勢(shì)沒(méi)有噪聲和直流偏移。 Theta 估計(jì)值是利用 CORDIC 函數(shù)由EalphaFinal 和 EbetaFinal 計(jì)算所得。EalphaFinal 和 EbetaFinal 的波形應(yīng)具有較小的噪聲，這樣才能估計(jì)出較為理想的 Theta 波形。

接下來(lái)，應(yīng)對(duì) SMC 參數(shù)進(jìn)行修改。所有的控制器參數(shù)都在 UserParms.h 文件中。例1-7 所示為 SMC 的增益和線性區(qū)域的設(shè)置。
電流的估計(jì)值必須跟蹤測(cè)量值，應(yīng)對(duì)估計(jì)電流紋波值進(jìn)行調(diào)整使其位于測(cè)量電流峰 - 峰值的 10% 到 30% 之間。
將MAXLINEARSMC的值設(shè)為0.010可以更平穩(wěn)地追蹤相同峰-峰值的估計(jì)紋波。圖1-25所示為不同 MAXLINEARSMC 值時(shí)的估計(jì)電流波形。最佳的 MAXLINEARSMC 值將會(huì)顯著減小估計(jì)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(shí)際信號(hào)。
• smc1.Ealpha 信號(hào)是由 smc1.Zalpha 經(jīng)截止頻率等于輸入頻率的單極點(diǎn)數(shù)字低通濾波器濾波獲得。因此，兩個(gè)信號(hào)間有 45o 相位差。
• smc1.EalphaFinal 信號(hào)是由 smc1.Ealpha 經(jīng)截止頻率等于輸入頻率的單極點(diǎn)數(shù)字低通濾波器濾波獲得。因此，兩個(gè)信號(hào)間具有 45o 相位差。
• 最后，信號(hào) smc1.Zalpha 和 smc1.EalphaFinal 之間總共具有 90o 相位差。

PMSM FOC調(diào)整步驟（閉環(huán)模式）
通過(guò)取消例 1-8 中高亮語(yǔ)句的注釋，可以啟動(dòng)電機(jī)閉環(huán)控制。開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)速斜坡上升后，電機(jī)將使用估計(jì)的 Theta 實(shí)現(xiàn)閉環(huán)模式運(yùn)行。

1.9.1 閉環(huán)啟動(dòng) dsPICDEM MCLV開(kāi)發(fā)板
1. 逆時(shí)針（CCW）旋轉(zhuǎn)電位器（POT1）來(lái)設(shè)置最小轉(zhuǎn)速。
2. 使用更新后的軟件程序?qū)?dsPIC DSC 編程。
3. 按下 S2 按鈕使電機(jī)開(kāi)環(huán)運(yùn)行，如圖 1-27 所示。電機(jī)轉(zhuǎn)速經(jīng)斜坡上升后，電機(jī)將在FOC算法控制下自動(dòng)進(jìn)入閉環(huán)模式。

1.9.2 閉環(huán)啟動(dòng) dsPICDEM MCHV 開(kāi)發(fā)板
1. 逆時(shí)針（CCW）旋轉(zhuǎn)電位器（POT）來(lái)設(shè)置最小轉(zhuǎn)速。
2. 用更新后的軟件程序?qū)?dsPIC DSC 編程。
3. 按下 PUSHBUTTON 按鈕使電機(jī)開(kāi)環(huán)運(yùn)行。斜坡上升后，電機(jī)將在 FOC 算法控制下自動(dòng)進(jìn)入閉環(huán)模式。
圖 1-28 中所示的電位器用作轉(zhuǎn)速參考輸入，按鈕開(kāi)關(guān)控制電機(jī)的運(yùn)行 / 停止。

圖 1-29 說(shuō)明了閉環(huán)運(yùn)行電機(jī)應(yīng)遵循的步驟。第一步，按下 S2 按鈕，電機(jī)自鎖。第二步，開(kāi)始電機(jī)轉(zhuǎn)速斜坡上升且頻率線性增長(zhǎng)。第三步，斜坡上升結(jié)束且電機(jī)開(kāi)始閉環(huán)運(yùn)行。在斜升過(guò)程中，計(jì)算估計(jì)的 Theta值并在過(guò)渡到閉環(huán)模式的過(guò)程中使用該值。

1. 按下S2 按鈕，電機(jī)將在特定位置被通電，其持續(xù)時(shí)間由 Lock Time指定。
2. 在Lock Time結(jié)束時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速將以斜坡方式從0RPM上升到最小轉(zhuǎn)速。該時(shí)間由OpenLoop時(shí)間指定。
3. 在斜坡上升結(jié)束時(shí)，將根據(jù)估計(jì)的 Theta進(jìn)行換相控制。

1.9.3 閉環(huán)模式下調(diào)整 ID 和 IQ 的 PI 增益
通過(guò)順時(shí)針（CW）旋轉(zhuǎn)電位器（POT）增加轉(zhuǎn)速參考值來(lái)驗(yàn)證電流的穩(wěn)定性。電流應(yīng)穩(wěn)定，如果需要，調(diào)整 ID 和 IQ 軸的 PI 增益和 SMC 估計(jì)器的增益。電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?500 到3000 RPM 的反電動(dòng)勢(shì)波形如圖 1-30 所示。

1.9.4 調(diào)整瞬態(tài)響應(yīng)
圖 1-31 顯示如何用 dsPICDEM MCLV 開(kāi)發(fā)板檢測(cè)電機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)和 FOC 算法。按下S3按鈕，電機(jī)給定轉(zhuǎn)速加倍，通過(guò)示波器可以觀察FOC算法下的響應(yīng)。對(duì)于dsPICDEMMCHV 開(kāi)發(fā)板，不可進(jìn)行該步操作，因?yàn)樗鼪](méi)有給定轉(zhuǎn)速加倍開(kāi)關(guān)。

dsPICDEM MCLV 開(kāi)發(fā)板的最大電流參考值是4.4A，對(duì) 于 dsPICDEM MCHV 開(kāi)發(fā)板該值是 16.5A。表中的第一個(gè)值始終是零，這意味著在該轉(zhuǎn)速下（對(duì)永磁同步電機(jī)而言）沒(méi)有進(jìn)行弱磁。通過(guò)實(shí)驗(yàn)嘗試輸入一個(gè)合適的負(fù)電流值，以符合 FW 速度的要求。

警告
通常，電機(jī)制造商給出的最大轉(zhuǎn)速是在電機(jī)沒(méi)有損壞的情況下可達(dá)到的（可能比額定電流下的制動(dòng)點(diǎn)轉(zhuǎn)速還要高）。否則，電機(jī)可能運(yùn)行在更高的轉(zhuǎn)速，但只能是短期的（間歇的），并可能導(dǎo)致電機(jī)去磁、機(jī)械損壞或與之相連設(shè)備的機(jī)械損壞的風(fēng)險(xiǎn)。
弱磁模式下，電機(jī)運(yùn)行速度高于標(biāo)稱轉(zhuǎn)速，如果出現(xiàn)角度計(jì)算錯(cuò)誤導(dǎo)致控制器失效，那么可能導(dǎo)致變頻器損壞。原因是反電動(dòng)勢(shì) （BEMF）的值將遠(yuǎn)大于標(biāo)稱轉(zhuǎn)速下的值，從而超過(guò)直流母線電壓值，而變頻器的功率半導(dǎo)體器件和直流母線電容將不得不承受這個(gè)值。由于達(dá)到最佳狀態(tài)之前，調(diào)整意味著對(duì)迭代系數(shù)的校正，因此應(yīng)對(duì)變頻器的相應(yīng)保護(hù)電路進(jìn)行調(diào)整使之能承受更高電壓以防止高速旋轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)停轉(zhuǎn)。

本文提供的調(diào)整技術(shù)可使 FOC 算法適用于任何永磁同步電機(jī)。該算法在 AN1078《PMSM 電機(jī)的無(wú)傳感器磁場(chǎng)定向控制》（DS01078A_CN）中有所介紹。
許多不同電機(jī)的調(diào)整是在上述技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展實(shí)現(xiàn)的，因此 AN1078 中的 FOC 算法和本文調(diào)整技術(shù)的有效結(jié)合，可滿足絕大部分 PMSM 的控制需求。文中所討論的調(diào)整技術(shù)將有助于減少新項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中所花費(fèi)的時(shí)間和精力。

完整的pdf格式文檔51黑下載地址：

AN1078調(diào)整指南.pdf (1.11 MB, 下載次數(shù): 269)

ID:228452 · 發(fā)表于 2023-11-11 03:07

source code is available for free

www.microchip.com/en-us/application-notes/an1078

ID:201953 · 發(fā)表于 2023-8-18 08:26

謝謝樓主。剛下了AN1078 。一起看

ID:548757 · 發(fā)表于 2021-12-16 17:46

變頻空調(diào)就有這樣的計(jì)算方法

ID:992781 · 發(fā)表于 2021-12-15 16:23

請(qǐng)問(wèn)有源碼嗎

ID:336316 · 發(fā)表于 2020-3-8 17:56

感謝樓主的資料！

ID:669303 · 發(fā)表于 2019-12-21 08:14

不錯(cuò)，感謝樓主！

ID:82036 · 發(fā)表于 2019-12-3 14:31

感謝樓主。。。。。。。。。。。。。

ID:285366 · 發(fā)表于 2019-11-20 10:07

microchip的東西確實(shí)很好。

ID:242092 · 發(fā)表于 2019-7-20 10:52

確實(shí)對(duì)幫助很大，謝謝！

ID:386691 · 發(fā)表于 2019-6-24 10:48

很好的資料，謝謝！

ID:233711 · 發(fā)表于 2019-3-4 21:16

介紹很詳細(xì)啊

ID:150043 · 發(fā)表于 2019-3-2 09:15

謝謝你呀

ID:402531 · 發(fā)表于 2018-9-26 09:36

好像很詳細(xì)，MARK一下

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