多BLDC电机磁场定向控制策略及解决方案

张慧娟 发表于 2020-04-01 11:33:04 收藏 已收藏
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多BLDC电机磁场定向控制策略及解决方案

张慧娟 发表于 2020-04-01 11:33:04
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2020年3月27日,由电子发烧友网主办的2020年第三届无刷直流电机控制技术研讨会在线上成功举行。国民技术电机方案开发工程师舒晓华分享了多BLDC电机磁场定向控制策略及解决方案。
 
舒晓华从磁场定向控制(FOC)理论基础和多FOC应用软件设计要求的角度,分享了国民技术多FOC电机应用中的MCU选型重点以及国民技术N32G455系列高效电机主控解决方案,并总结了基于N32G455系列电机主控电流采样重构和PWM重构的优势特点。

FOC(磁场定向控制)理论基础

FOC理论框架如下,其中坐标变换、电角度计算(无感,有感)、PI(D)控制是核心理论,电流采用虽然不是核心理论,但是涉及到具体的项目、开发板、电机时相关度最大,因此非常重要。

其中,坐标变换包括Clark变换实现UVW→αβ变换、Park变换实现αβ→dq变换、Park逆变换实现dq→αβ变换、SVPWM为Clark逆变换实现αβ→UVW变换。
 
PI(D)本质是实现误差控制误差,在FOC电机控制中,电流环、速度环控制一般使用PI进行控制。
 
无感位置估算主要有SMO和MRAS两种方式。其中SMO的核心是对电机模块进行变换,得到电流观测器模型,根据电流模型的值和反馈的电流值进行差值判断,不断调整参数使误差最小。
 
MRAS通过自适应机构来修改可调模型中的参数(增益、速度等),使可调模型中的状态矢量趋近于参考模型中的状态矢量,也就是使共有矢量的差值趋近于零,最终达到速度观测的目的。国民技术电机套件提供的SMO反电势估算具有数字化相位补偿,选用波波夫稳定性理论(MRAS)的设计方法,具有调试参数少、低速观测性能好、直接闭环起动等优点。

多FOC应用中的软件设计策略

根据FOC的理论基础,对多FOC应用中的软件设计策略首先是框架的软件抽象,要遵循FOC引擎的设计原则:独立地提供方法库,统一的属性资源分配,面向对象的设计方法。
 
舒晓华介绍,FOC软件设计模块的重难点在于两方面:一是核心依赖是转子的电角度计算,包括:无感SMO、无感MRAS、有感HALL。二是FOC的电流重构方法,包括双电阻电流采样和单电阻电流采样,后者需重构PWM输出波形。为了支持多FOC,转子电角度计算方法需统一的接口如下:
 
初始化函数void xxx_Init(Struct *Pst);
角度计算函数uint16_t xxx_CalcAngle(Struct *Pst);
速度计算函数uint16_t xxx_GetSpeed(Struct *Pst);
 
MCU作为底层支持,对于多FOC电机应用中的MCU选型,舒晓华给出如下参考,主要包括ADC数量、PWM数量、OPAMP数量、MCU主频等。

多FOC的解决方案

通过采用先进的无位置传感器FOC控制策略,国民技术在一颗N32G455芯片上实现了压缩机FOC调速功能、风机转矩控制、电子膨胀阀控制、NTC检测、串口监控以及各种安全保护措施。
 
舒晓华介绍了N32G455系列的多FOC电机控制解决方案,通过内置最多7个快速比较器与PWM模块联动,快速响应刹车事件,拥有高达4个独立的5Msps的12bit ADC,支持PWM定时器连动自动触发采样。最重要的是配置高达144Hz的高性能32位ARM Cortex-M4F处理器,支持硬件乘除运算。

 
基于MCU控制的无刷直流电机消除了刷子磨损和弧形机构,该技术使电机具有更高的效率,更高的转矩-惯量比,更高的速度性能,更低的噪声,更好的热效率和低EMI特性。从而使电机在更低成本下可以更为高效的稳定可靠运行,并从整体上降低了整机成本。
 
据介绍,针对电机控制应用市场,国民技术有针对性地规划了系列化的芯片产品和解决方案,覆盖高、中、低电机市场应用。

如何快速搭建多FOC电机验证平台?

为了方便验证,舒晓华介绍了搭建多FOC电机验证平台“五步法”:环境准备、确认电机参数、确认开发板参数、确认角度计算方法、确认电机运行模式。以基于国民技术双FOC电机控制评估套件搭建多FOC电机验证平台为例:单FOC执行时间低至10.1us,电机带载正反转切换成功跨越零点电流波形、无角度丢失。
图:单FOC执行时间低至10.1μs
图:电机带载正反转切换成功跨越零点电流波形

观看本场直播精彩回放,请点击:http://webinar.elecfans.com/replay/478.html

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