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使用FOC算法实现永磁同步电机调整所需的步骤和设置-AN1078调整指南

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本文档介绍了使用 FOC 算法实现永磁同步电机(Permanent Magnet SynchronousMotor,PMSM)调整所需的步骤和设置,该算法如 AN1078《PMSM 电机的无传感器磁场定向控制》(DS01078A_CN)中所介绍。由于不同电机存在参数差异,因此需针对每种新的电机模型对该算法进行调整。了解所使用的 PMSM
在使用FOC算法运行一台电机前,用户必须确定该算法是否支持其所使用的电机。FOC算法只适用于正弦波反电动势的永磁同步电机。
图 1-1 给出了如何检测 PMSM 反电动势的安装示意图,包括待测的 PMSM 以及通过连轴器与之连接的另一台驱动电机。为观察反电动势的波形,使驱动电机运行于固定速度(例如, 2000 RPM),并在示波器上观察其中两相反电动势的波形。

在 dsPICDEM™
MCLV 开发板上成功测试的电机
下列电机均在 dsPICDEM MCLV 开发板上成功通过测试:
•Hurst 电机
电机及其反电动势波形如图 1-2 所示。该电机的额定值是 24V, 5 对极, 2500 RPM。
• 伺服电机
伺服电机及其反电动势波形如图 1-2 所示。电机的额定值是 24V, 2 对极, 3000 RPM。
这些在dsPICDEM MCLV开发板上采用FOC算法成功测试的电机都是反电动势为正弦波的永磁同步电机。


在 dsPICDEM™
MCHV开发板上成功测试的电机
下列电机均在 dsPICDEM MCLV 开发板上成功通过测试:
• 喷涂机电机(定制电机)
喷涂机应用的电机及其反电动势波形如图 1-3 所示。该电机额定值是 160 VDC, 3对极, 4000 RPM。
• Dia-80 电机
Dia-80 电机及其反电动势波形如图 1-3 所示。该电机的额定值是 220V, 2 对极,3500 RPM

• Dia-YS50 电机
Dia-YS50 电机及其反电动势波形如图 1-4 所示。该电机额定值为 220V (有效值), 2 对极, 4000 RPM。
• 专业手持工具电机
图 1-4 中第二个电机即为专业手持工具电机应用及其反电动势波形。该电机额定值是 120V (有效值),两对极, 17,000 RPM。
在dsPICDEM MCHV开发板上采用FOC算法成功通过测试的每一种电机皆为反电动势为正弦波的永磁同步电机。

不适合用 FOC算法运行的电机
本节介绍的是无法在 FOC 算法下运行的电机。
图 1-5 所示为波形是梯形波的电机。反电动势是梯形波的无刷直流电机(BrushlessDirect Current, BLDC)无法在 FOC 算法下运行。这些电机的反电动势波形不是正弦波,因此,它们不能运行至额定转速或无法在闭环控制时稳定运行。

图 1-6 所示为非正弦波电机反电动势波形。反电动势波形不是正弦波的无刷直流电机无
法在 FOC 算法下运行。
图 1-6: 电机非正弦波反电动势波形

硬件参数设置
硬件参数:RSHUNT、DIFFAMPGAIN 以及 VDD都位于 UserParms.h 文件中。该文件中的参数根据硬件设计不同而有所变化。例 1-1 展示了 dsPICDEM MCLV 和 MCHV 开发板的硬件参数设置。


开环时间应足够长,使得转子能够跟随定子换相直至达到开环最终转速(MINSPEEDINRPM)。如果没有达到,应增加开环时间。
为了让转子与旋转的定子磁通同步,可以把斜坡时间设置为一个更大值。当电机带负载运行时,需要对斜坡时间进行调整。
当电机转速斜坡上升到超过某个特定值时,若将初始转矩的给定值设置得低于要求值将会导致电机停转。在这种情况下,应当增加转矩的给定值。如果设置的转矩给定值高于要求值,将会导致电机的步进旋转。在这种情况下,就应减小转矩的给定值。将转矩给定值设置得很高可能会损坏电路板。
图 1-11 所示初始转矩给定值设置为 1A。

当电机开始运行时,初始转矩给定值应当足够大以带动负载。应确保硬件可支持所要求的转矩设置。启动时初始转矩给定值设置为 1.0,之后每次试启动都将这个值加倍直到斜升时间结束时转子和定子磁场转速达到同步。

电机参数的设置
电机参数:POLEPAIRS、 PHASERES、 PHASEIND、 NOMINALSPEEDINRPM 和MINSPEEDINRPM 都位于 UserParms.h 文件中。电机参数依赖于电机的规范,当测试不同的电机时,应当更新电机参数值。电机参数的设置如例 1-3 所示。

在开环斜坡上升过程中如果电机停止运行,用户应该增加斜坡上升时间。一旦电机可以运行到斜坡时间结束时,应略微增加初始转矩电流并减小斜坡时间直到电机运行符合启动要求。如果转子在电机通电时发生振荡并引起电机反转,则需增加锁定时间。

图 1-20 所示为电机开环运行时的电流波形。锁定时间、斜坡时间和转矩给定值在电流波形中都有所显示。
使能数据监视和控制界面(DMCI)/ 实时数据监视(RTDM)变量。启用 Ialpha、估计的 Ialpha、 Ibeta 和估计的 Ibeta 以确保滑模控制器(SMC)能够跟踪测量电流。例 1-5 给出了实现用 RTDM/DMCI 查看变量的代码设置。

运行电机并通过 DMCI 捕获数据。电流的估计值必须跟踪测量值,电流估计值的纹波应该在测量电流峰峰 - 值的 10% 到 30%之间。
实际电流(红线和绿线)和估计电流(蓝线和黄线)的波形如图 1-21 所示。估计电流的纹波值应该在测得电流的 10% 到 30% 之间。否则,调整 D 轴和 Q 轴的 PI 增益。



启用 Ialpha、Ealpha、EalphaFinal 和 Theta 来检查位置估计结果。例 1-6 显示了如何使用 RTDM 工具来设置代码以实现不同变量的查看。

图 1-22 显示了四个不同波形间的关系。相位差异是由于每个信号正交特性或滤波器的相位延迟所造成。不同的波形如下所示:
• 绿色和红色分别是 Ealpha和 Ebeta 波形,它们相位相差 90o。
• 蓝色波形是 EalphaFinal。 EalphaFinal 和 EbetaFinal (图中没有画出)
相位相差 90o。 Ealpha和 EalphaFinal 相位相差 45o。
• 黄色波形是估计的 Theta波形。



确保最终反电动势没有噪声和直流偏移。 Theta 估计值是利用 CORDIC 函数由EalphaFinal 和 EbetaFinal 计算所得。EalphaFinal 和 EbetaFinal 的波形应具有较小的噪声,这样才能估计出较为理想的 Theta 波形。

接下来,应对 SMC 参数进行修改。所有的控制器参数都在 UserParms.h 文件中。例1-7 所示为 SMC 的增益和线性区域的设置。
电流的估计值必须跟踪测量值,应对估计电流纹波值进行调整使其位于测量电流峰 - 峰值的 10% 到 30% 之间。
将MAXLINEARSMC的值设为0.010可以更平稳地追踪相同峰-峰值的估计纹波。图1-25所示为不同 MAXLINEARSMC 值时的估计电流波形。最佳的 MAXLINEARSMC 值将会显著减小估计电流的纹波峰值。

图 1-26 所示为滤波造成的相位延迟。不同波形的描述如下:
• smc1.Zalpha 是实际信号。
• smc1.Ealpha 信号是由 smc1.Zalpha 经截止频率等于输入频率的单极点数字低通滤波器滤波获得。因此,两个信号间有 45o 相位差。
• smc1.EalphaFinal 信号是由 smc1.Ealpha 经截止频率等于输入频率的单极点数字低通滤波器滤波获得。因此,两个信号间具有 45o 相位差。
• 最后,信号 smc1.Zalpha 和 smc1.EalphaFinal 之间总共具有 90o 相位差。

PMSM FOC调整步骤 (闭环模式)
通过取消例 1-8 中高亮语句的注释,可以启动电机闭环控制。开环转速斜坡上升后,电机将使用估计的 Theta 实现闭环模式运行。



1.9.1 闭环启动 dsPICDEM MCLV开发板
1. 逆时针 (CCW)旋转电位器 (POT1)来设置最小转速。
2. 使用更新后的软件程序对 dsPIC DSC 编程。
3. 按下 S2 按钮使电机开环运行,如图 1-27 所示。电机转速经斜坡上升后,电机将在FOC算法控制下自动进入闭环模式。


1.9.2 闭环启动 dsPICDEM MCHV 开发板
1. 逆时针 (CCW)旋转电位器 (POT)来设置最小转速。
2. 用更新后的软件程序对 dsPIC DSC 编程。
3. 按下 PUSHBUTTON 按钮使电机开环运行。斜坡上升后,电机将在 FOC 算法控制下自动进入闭环模式。
图 1-28 中所示的电位器用作转速参考输入,按钮开关控制电机的运行 / 停止。

图 1-29 说明了闭环运行电机应遵循的步骤。第一步,按下 S2 按钮,电机自锁。第二步,开始电机转速斜坡上升且频率线性增长。第三步,斜坡上升结束且电机开始闭环运行。在斜升过程中,计算估计的 Theta值并在过渡到闭环模式的过程中使用该值。

1. 按下S2 按钮,电机将在特定位置被通电,其持续时间由 Lock Time指定。
2. 在Lock Time结束时,电机转速将以斜坡方式从0RPM上升到最小转速。该时间由OpenLoop时间指定。
3. 在斜坡上升结束时,将根据估计的 Theta进行换相控制。

1.9.3 闭环模式下调整 ID 和 IQ 的 PI 增益
通过顺时针(CW)旋转电位器(POT)增加转速参考值来验证电流的稳定性。电流应稳定,如果需要,调整 ID 和 IQ 轴的 PI 增益和 SMC 估计器的增益。电机转速从 500 到3000 RPM 的反电动势波形如图 1-30 所示。

1.9.4 调整瞬态响应
图 1-31 显示如何用 dsPICDEM MCLV 开发板检测电机的瞬态响应和 FOC 算法。按下S3按钮,电机给定转速加倍,通过示波器可以观察FOC算法下的响应。对于dsPICDEMMCHV 开发板,不可进行该步操作,因为它没有给定转速加倍开关。

dsPICDEM MCLV 开发板的最大电流参考值是4.4A,对 于 dsPICDEM MCHV 开发板该值是 16.5A。表中的第一个值始终是零,这意味着在该转速下(对永磁同步电机而言)没有进行弱磁。通过实验尝试输入一个合适的负电流值,以符合 FW 速度的要求。

警告
通常,电机制造商给出的最大转速是在电机没有损坏的情况下可达到的 (可能比额定电流下的制动点转速还要高) 。否则,电机可能运行在更高的转速,但只能是短期的(间歇的),并可能导致电机去磁、机械损坏或与之相连设备的机械损坏的风险。
弱磁模式下,电机运行速度高于标称转速,如果出现角度计算错误导致控制器失效,那么可能导致变频器损坏。原因是反电动势 (BEMF)的值将远大于标称转速下的值,从而超过直流母线电压值,而变频器的功率半导体器件和直流母线电容将不得不承受这个值。由于达到最佳状态之前,调整意味着对迭代系数的校正,因此应对变频器的相应保护电路进行调整使之能承受更高电压以防止高速旋转时出现停转。


本文提供的调整技术可使 FOC 算法适用于任何永磁同步电机。该算法在 AN1078《PMSM 电机的无传感器磁场定向控制》(DS01078A_CN)中有所介绍。
许多不同电机的调整是在上述技术基础上发展实现的,因此 AN1078 中的 FOC 算法和本文调整技术的有效结合,可满足绝大部分 PMSM 的控制需求。文中所讨论的调整技术将有助于减少新项目开发中所花费的时间和精力。


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沙发
xuhongfeide 发表于 2018-9-26 09:36 | 只看该作者
好像很详细,MARK一下
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板凳
生我独孤 发表于 2019-3-2 09:15 | 只看该作者
谢谢你呀
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地板
maozheng110 发表于 2019-3-4 21:16 | 只看该作者
介绍很详细啊
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5#
zzy16753118 发表于 2019-6-24 10:48 | 只看该作者
很好的资料,谢谢!
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