平头哥CDK助力中科昊芯HX2000系列芯片之双电机有感FOC控制系统专题（四）拓展：永磁电机三闭环有感伺服控制

自中科昊芯推出专题阐述HXS320F28034双电机有感FOC控制系统实现以来，第一期主要分析了双电机有感FOC控制原理，第二期着重分析了永磁BLDC的霍尔位置开环控制，第三期着重分析了永磁BLDC的双闭环调速，第四期着重分析了永磁PMSM双闭环FOC调速，本期基于上期的方案做了一个拓展，增加了位置闭环优化，实现永磁电机三闭环有感伺服控制，并继续基于平头哥半导体有限公司的剑池集成开发环境（简称“CDK”）V2.12.1版本与HXS320F28034驱动一体板联合开发。

 

PMSM三闭环有感伺服原理如图1，系统给定位置θ*与差分增量式编码器计算所得实际角度位置θ相比较，经位置PI运算得到给定转速n*，与差分增量式编码器计算所得实际转速nfbk相比较，经速度PI运算得到q轴电流给定值iq*，采用id*=0控制，与霍尔电流采样得到三相实际电流ia,ib,ic，经CLARK与PARK变换所得d轴与q轴电流id,iq进行比较，经电流PI输出调节电压Ud*,Uq*，经反PARK变换得到调节电压Uα*,Uβ*，经空间矢量脉宽调制SVPWM输出三路开关管切换时间Tcm1,Tcm2,Tcm3，与三路PWM输出三角载波相比较得到六路调制脉宽，驱动控制三相六桥臂MOSFET逆变器通断，实现三闭环伺服的位置精确控制。

 

图1 PMSM三闭环有感伺服系统框图

 

依照上述原理，设计HXS320F28034 PMSM三闭环有感伺服系统如图2，通过GPIO按键控制电机使能与位置给定，转子位置与速度检测通过QEP模块实现，电流采样通过ADC模块实现，经三闭环PI调节输出PWM波的导通脉宽，从而实现电机角度位置的精确伺服控制。硬件连接如图3，图中的小黑色电路板为差分编码转换器，读者可根据需要自行采购。

 

图2 系统硬件原理图
 

 

图3 系统硬件连接

 

系统所采用的软硬件开发环境详见《芯教程丨平头哥CDK助力中科昊芯HX2000系列芯片之双电机有感FOC控制系统专题（一）》。

 

根据上述分析，基于CDK开发PMSM三闭环有感伺服系统，代码包括：PWM、QEP的外设GPIO引脚配置、三路三相PWM波输出配置，QEP初始化配置与差分编码器位置采样、转速与电角度计算、ADC初始化配置与电流采样、PMSM斜坡启动编码器校正、PI调节算法、CLARK、PARK正逆变换、SVPWM算法调制的EPWM事件触发中断服务程序，主程序执行调用，其中SVPWM算法调制的EPWM事件触发中断服务程序代码为：

 

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1.void INTERRUPT epwm1_isr(void)

2.{

3. /*出于安全考虑，默认驱动板上电时封波，按下GPIO7后，电机开始启动*/

4. if(GpioDataRegs.GPADAT.bit.GPIO7==0)

5. {

6.  epwm_flag++;

7. }

8. /*判断启动脉冲信号是否产生，产生后电机开始启动*/

9. if(epwm_flag!=0)

10. {

11.  /*启动计时*/

12.  start_step++;

13.  /*扇区读取:用于获取确定的转子初始位置与对应的SVPWM初始扇区*/

14.  sector_uvw();

15.  /*斜坡启动与调速：200rpm斜坡加速启动后调速，300个计数内完成启动*/

16.  if((speed_ref1<300)&&(start_step<=300))

17.  {

18.   /*斜坡启动*/

19.   start_ramp();

20.  }

21.  else

22.  { if((speed_add!=0)||(speed_sub!=0))

23.   {

24.    /*按计数，分配在不同时段实现调速与转子位置伺服控制*/

25.    speed_theta_regulated();

26.    if(theta_reg<250000)

27.    { /*调速*/

28.     speed_regulated();

29.    }

30.    else

31.    { /*角度调整*/

32.     theta_regulated();

33.     /*位置闭环*/

34.     servo_loop();

35.    }

36.   }

37.  }

38.  /*转速闭环*/

39.  speed_loop();

40.  /*电流闭环*/

41.  current_loop();

42.  /*给定固定初始角度使电机转过最大反电势点，读取校正值=此时脉冲计数*/

43.  theta=theta_open;

44.  /*根据差分编码器的霍尔信号判断电机反电势是否处于最大值*/

45.  if(theta==NA*_IQ7(PI/3)+_IQ7(PI/6))

46.  {

47.   iel_int++;

48.  }

49.  /*反电势最大时，切电角度闭环，使编码器零位与电机零位对齐，完成启动*/

50.  if(iel_int!=0)

51.  {

52.   /*计算电角度*/

53.   theta=freq*_IQ7(2*PI);

54.  }

55.  /*两相旋转坐标系变换到两相静止坐标系*/

56.  iPark();

57.  /*空间矢量旋转变换*/

58.  svpwm_motor();

59.  /*调制占空比输出配置*/

60.  epwm_compare();

61. }

62. /*清除事件中断的INT全局中断*/

63. EPwm1Regs.ETCLR.bit.INT=1;

64. /*中断应答，锁定IER的第3组中断向量*/

65. PieCtrlRegs.PIEACK.all=PIEACK_GROUP3;

66.}

 

CDK上开发PMSM三闭环有感伺服系统控制程序，其编译结果为：

 

编译通过后，可以开始调试，其调试结果如下：

 

调试后，控制PMSM在400rpm~600rpm调速与调节转子位置的效果如下：

 

 

 

 

关于中科昊芯
 

“智由芯生 创享未来”，中科昊芯是数字信号处理器专业供应商。作为中国科学院科技成果转化企业，瞄准国际前沿芯片设计技术，依托多年积累的雄厚技术实力及对产业链的理解，以开放积极的心态，基于开源指令集架构RISC-V，打造多个系列数字信号处理器产品，并构建完善的处理器产品生态系统。产品具有广阔的市场前景，可广泛应用于工业控制及电机驱动、数字电源、光伏、储能、新能源汽车、消费电子、白色家电等领域。