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2010MicrochipTechnologyInc.DS01078B_CN第1页AN1078简介设计者根据对环境的需求，希望能不断开拓高级电机控制技术，用以制造节能空调、洗衣机和其他家用电器产品。到目前为止，较为完善的电机控制解决方案通常仅用作专门用途。然而，新一代数字信号控制器（DigitalSignalController，DSC）的出现使得性价比高的高级电机控制算法昀终成为现实。例如，空调需要能够对温度作出快速响应以迅速改变电机的转速。因此，我们需要高级电机控制算法，以制造出更加节能的静音设备。在这种情况下，磁场定向控制（FieldOrientedControl，FOC）脱颖而出，成为满足这些环境需求的主要方法。本应用笔记讨论了使用MicrochipdsPIC®DSC系列对永磁同步电机（PermanentMagnetSynchronousMotor，PMSM）进行无传感器FOC的算法。为什么使用FOC算法？BLDC电机的传统控制方法是以一个六步的控制过程来驱动定子，而这种控制过程会使生成的转矩产生振荡。在六步控制过程中，给一对绕组通电直到转子达到下一位置，然后电机换相到下一步。霍尔传感器用于确定转子的位置，以采用电子方式给电机换相。高级的无传感器算法使用在定子绕组中产生的反电动势来确定转子位置。六步控制（也称为梯形控制）的动态响应并不适用于洗衣机，这是因为在洗涤过程中负载始终处于动态变化中，并随实际洗涤量和选定的洗涤模式不同而变化。而且，对于前开式洗衣机，当负载位于滚筒的顶部时，必须克服重力对电机负载作功。只有使用高级的算法如FOC才可处理这些动态负载变化。本应用笔记着重于适用于电器的基于PMSM的无传感器FOC控制，这是因为该控制技术在电器的电机控制方面有着无可比拟的成本优势。无传感器FOC技术也克服了在某些应用上的限制，即由于电机被淹或其线束放置位置的限制等问题，而无法部署位置或速度传感器。由于PMSM使用了由转子上的永磁体所产生的恒定转子磁场，因此它尤其适用于电器产品。此外，其定子磁场是由正弦分布的绕组产生的。与感应电机相比，PMSM在其尺寸上具有无可比拟的优势。由于使用了无刷技术，这种电机的电噪音也比直流电机小。为什么使用数字信号控制器来进行电机控制？dsPICDSC尤其适用于类似于洗衣机和空调压缩机之类的电器，因为数字信号控制器具有下列特别适用于电机控制的外设：•脉宽调制（Pulse-WidthModulation，PWM）•模数转换器（Analog-to-DigitalConverter，ADC）•正交编码器接口（QuadratureEncoderInterface，QEI）在执行控制器程序以及实现数字滤波器时，由于MAC指令和小数运算可在一个周期内执行，因此dsPICDSC器件允许设计者对代码进行优化。同时，对于那些需要饱和功能的运算，dsPICDSC器件通过提供硬件饱和保护以避免溢出。dsPICDSC需要快速且灵活的模数（A/D）转换来检测电流——电机控制中的关键功能。dsPICDSC器件特有的ADC可以1Msps的速率转换采样输入，并可昀多同时处理四路输入。ADC上的多触发选项可允许使用廉价的电流检测电阻来测量绕组电流。例如，使用PWM模块触发A/D转换可允许廉价的电流检测电路在指定时间内对输入进行检测（开关晶体管使电流流过检测电阻）。作者：JorgeZambada和DebrajDebMicrochipTechnologyInc.PMSM的无传感器磁场定向控制AN1078DS01078B_CN第2页2010MicrochipTechnologyInc.使用数字信号控制器进行电机控制dsPICDSC电机控制系列是针对昀常用的电机而设计的，包括：•交流感应电机（ACInductionMotor，ACIM）•直流有刷电机（BrushedDCMotor，BDC）•直流无刷电机（BrushlessDCMotor，BLDC）•永磁同步电机（PermanentMagnetSynchronousMotor，PMSM）已发表了一些基于dsPICDSC电机控制系列的应用笔记（见“参考文献”）。这些应用笔记可从Microchip网站（）获取。本应用笔记说明了dsPICDSC如何利用特别适合电机控制的外设（电机控制PWM和高速ADC）来执行PMSM的无传感器磁场定向控制。dsPICDSC的DSP引擎支持必要且快速的数学运算。数据监视和控制界面数据监视和控制界面（DataMonitorandControlInterface，DMCI）能够与MPLAB®IDE快速动态集成，可通过这一个界面对IDE项目中的范围值、开/关状态或离散值进行变量控制以对应用的运行加以限制。如果需要，应用反馈可以图形方式来表示。提供电机控制和音频处理方面的应用示例。DMCI可提供：•9个滑块和9个布尔量（开/关）控制（见图1）•35路输入控制（见图2）•4个图（见图3）该界面提供了可识别项目的程序符号（变量）导航，这些符号可被动态地分配给滑块控制、直接输入控制或布尔量控制的任意组合。随后这些控制可交互地用来更改MPLABIDE中的程序变量值。这些图也可动态地进行配置以查看程序所生成的数据。应用重点本应用笔记的目的在于说明使用Microchip数字信号控制器，以软件的方式实现PMSM的无传感器磁场定向控制。该控制软件具有如下特征：•实现PMSM的矢量控制。•位置和速度估算算法可避免使用位置传感器。•测试得到速度范围从500到17000RPM。•当控制环周期为50µs时，软件需要约21个MIPS的CPU开销（占CPU总体开销的2/3）。•应用程序需要450字节的数据存储空间。包含用户界面在内一共需要大约6K字节的程序存储空间。根据对存储空间的需求，应用程序应可在dsPIC33FJ12MC202上运行，目前为止，此器件是体积昀小且昀具成本效益的dsPIC33F器件。•启用可选的诊断模式以在示波器上对内部程序变量进行实时观察。该功能可便于对控制环进行调整。注：DMCI工具的特性可能会有所变化。关于DMCI工具的说明，以其发布日期为准。2010MicrochipTechnologyInc.DS01078B_CN第3页AN1078图1：动态数据控制界面图2：用户自定义数据输入控制AN1078DS01078B_CN第4页2010MicrochipTechnologyInc.图3：图形数据视图2010MicrochipTechnologyInc.DS01078B_CN第5页AN1078系统概述如图4所示，在电机轴上没有安装位置传感器。而使用低自感系数的分流电阻（逆变器的一部分）来测量电机上的电流。三相逆变器被用作功率级来驱动电机绕组。电源逆变器内置的电流检测和故障生成电路可防止整个系统受到过电流的损坏。图5说明了如何实现3相拓扑以及电流检测和故障生成电路。逆变器左边的第一个晶体管用于功率因数校正（PowerFactorCorrection，PFC），本应用笔记中不作具体介绍。本应用笔记中所涉及的硬件是dsPICDEM™MCLV开发板（DM330021）（用于电压昀高为50VDC的场合），以及dsPICDEM™MCHV开发板（DM330023）（用于电压昀高为400VDC的场合），两者均可从Microchip网站（）订购。图4：系统概述图5：3相拓扑PWM1HPWM1LPWM2HPWM2LPWM3HPWM3L3相逆变器AN0AN1RB8IaIb过流3相PMSMVR1速度给定AN8S2启动/停止RA8dSPIC33FJ32MC204用户接口PWM1HPWM1LPWM2HPWM2LPWM3HPWM3L115/230VACPMSMIaIb电流故障可选功率因素校正限制AN1078DS01078B_CN第6页2010MicrochipTechnologyInc.磁场定向控制从不同的角度理解磁场定向控制理解FOC（有时称为矢量控制）如何工作的一种方法是在头脑中设想参考坐标变换过程。如果从定子的角度来设想交流电机的运行过程，则会看到在定子上施加了一个正弦输入电流。该时变信号产生了旋转的磁通。转子的速度是旋转磁通矢量的函数。从静止的角度来看，定子电流和旋转磁通矢量看似交流量。现在，设想在电机内部，转子随着定子电流所产生的旋转磁通矢量以相同的速度同步旋转。如果从这个角度观察稳态条件下的电机，那么定子电流看似常量，且旋转磁通矢量是静止的。昀终，希望控制定子电流来获得期望的转子电流（不可直接测量得到）。通过参考坐标变换，可使用标准控制环，如同控制直流量一样实现对定子电流的控制。矢量控制综述间接矢量控制的过程总结如下：1.测量3相定子电流。这些测量可得到ia和ib的值。可通过以下公式计算出Ic：ia+ib+ic=0。2.将3相电流变换至2轴系统。该变换将得到变量iα和iβ，它们是由测得的ia和ib以及计算出的ic值变换而来。从定子角度来看，iα和iβ是相互正交的时变电流值。3.按照控制环上一次迭代计算出的变换角，来旋转2轴系统使之与转子磁通对齐。iα和iβ变量经过该变换可得到Id和Iq。Id和Iq为变换到旋转坐标系下的正交电流。在稳态条件下，Id和Iq是常量。4.误差信号由Id、Iq的实际值和各自的参考值进行比较而获得。•Id的参考值控制转子磁通•Iq的参考值控制电机的转矩输出•误差信号是到PI控制器的输入•控制器的输出为Vd和Vq，即要施加到电机上的电压矢量5.估算出新的变换角，其中vα、vβ、iα和iβ是输入参数。新的角度可告知FOC算法下一个电压矢量在何处。6.通过使用新的角度，可将PI控制器的Vd和Vq输出值逆变到静止参考坐标系。该计算将产生下一个正交电压值vα和vβ。7.vα和vβ值经过逆变换得到3相值va、vb和vc。该3相电压值可用来计算新的PWM占空比值，以生成所期望的电压矢量。图6显示了变换、PI迭代、逆变换以及产生PWM的整个过程。本应用笔记的以下部分将详细描述这些步骤。2010MicrochipTechnologyInc.DS01078B_CN第7页AN1078图6：矢量控制框图α,βα,βα,βd,qd,qa,b,cPIPISVM3相电桥ωREFIQREFPIVqVdVαVβiaib电机速度(ω)---位置和速度估算器位置VαVβIqIdθPark逆变换Clarke逆变换Park变换Clarke变换iαiβIDREFAN1078DS01078B_CN第8页2010MicrochipTechnologyInc.坐标变换通过一系列坐标变换，可间接确定不随时间变化的转矩和磁通值，并可采用经典的PI控制环对其进行控制。控制过程起始于3相电机电流的测量。实际应用中，三个电流值的瞬时和为零。这样仅测量其中两个电流即可得到第三个电流值。因此，可通过去除第三个电流传感器来降低硬件成本。使用dsPICDSC也可通过单分流的方式实现3相电流的测量。更多信息，请与Microchip联系。欲获取单分流算法的详细说明，请参见AN1299，《PMSM无传感器FOC的单分流三相电流重构算法》（DS01299A_CN）。Clarke变换第一次坐标变换，称为Clarke变换，它将一个3轴、2维的定子坐标系变换到2轴的定子坐标系中（见图7，其中ia、ib和ic为各相电流）。图7：CLARKE变换Park变换现在，已使定子电流在一个两坐标轴分别标为α、β的2轴正交系中得以表达。下一步将其变换到另一个正在随着转子磁通旋转的2轴系统中。这种变换就是Park变换，如图8所示。该2轴旋转坐标系的坐标轴称为d-q轴。θ表示转子角度。图8：PARK变换PI控制使用三个PI环分别控制相互影响的三个变量。转子转速、转子磁通和转子转矩分别由单独的PI模块控制。这种PI控制采用常规方法，并包含了一个（Kc.Excess）项来抑制积分饱和，如图9所示。Excess是无限输出（U）和有限输出（Out）之差。Kc项与Exces