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用感应器对BLDC电动机进行磁场定向控制
时间：2011-02-15 来源:电子产品世界
电动机是将电能转化为机械能的机器。电动机在当前日常生活中极为重要，广泛用于真空吸尘器、洗碗机、电脑打印机、传真机、磁带录像机、机床、印刷机、汽车、地铁系统、污水处理厂和抽水站等多种应用领域。 电动机可分为三大类，分别是AC、DC和通用型。顾名思义，AC电动机使用AC电源运行，而DC电动机则使用DC电源运行。通用型电动机可同时支持AC和DC电源。AC电动机包括AC感应电动机和鼠笼式电动机，其还可进一步细分为单相和多相电动机。而DC电动机则包括有刷DC电动机、无刷DC电动机(BLDC)和步进电动机。
现有的电动机控制/驱动技术：
相对于AC电动机驱动而言，DC电动机驱动比较易于实施。DC电动机可直接通过电压—频率(V/F)驱动;即应用电压越高，频率或速度就越高。这种驱动通常实施于有刷DC电动机。
就AC电动机驱动和某些控制器将应用DC转化为AC来驱动电动机的设备(如BLDC或PMSM)而言，我们要采用复杂的驱动算法顺序改变线圈电流方向，从而实现所需的转动方向。线圈转动的速度同电动机的运行速度成正比。我们可使用以下不同的算法：
梯形控制：也称作六步控制法。这是一种最简单的算法。这六个转换步骤中的每一步都会在一对线圈之间形成电流路径，让第三个线圈断连。这种办**产生较高转矩波动，导致震动和噪声，相对于其他算法的性能而言比较差。
正弦控制：也称作电压超频整流。通过对3个线圈平稳提供(正弦)可变电流，正弦控制能解决梯形控制涉及的很多问题，从而降低转矩波动，实现平稳的转动。时变电流可用基本PI调节器进行控制，不过这在较高速率情况下会导致性能降低。
磁场定向控制(FOC)：也称作矢量控制法。FOC相对于正弦控制而言能在更高速率情况下提高效率。此外，这种方法即便在瞬态操作期间也能确保效率优化，完美保持定子和转子的流量。相对于其他所有技术而言，FOC还能就动态负载变化提供更好的性能。 什么是磁场定向控制?
磁场定向控制是变频驱动或变速驱动领域使用的一种方法，可通过控制电流来控制三相AC电动机的扭矩(进而控制速度)。利用FOC技术，我们能独立控制扭矩和流量。FOC法可加快动态响应速度，超出洗衣机等应用的要求。该方法还可避免转矩波动问题，无论速度高低FOC法都能实现更加平滑准确的电动机控制。
当定子和转子的磁场垂直时，感应电动机的扭矩最大。就FOC而言，我们检测并调节定子电流，从而让转子和定子流量之间的角度为 90度，以实现最大扭矩(如下图所示)：
FOC工作在三相电流的合成矢量上，而不是分别独立控制每一个相。AC感应电动机的控制变量通过数学转换固定(DC)。这样，FOC就能和处理固定参数一样，通过模仿DC电动机的工作来控制电感电动机。
FOC使用的方法有两种。一种是直接FOC，转子流量角度直接通过流量估算或测量进行计算。另一种是间接FOC，转子流量角度间接通过可用速度和滑移计算得出。
涉及感应器FOC的步骤如下：
Ia + Ib + Ic = 0
第一步：
检测三个定子相电流中的两个，第三个电流则用Kirchoff电流关系确定：
Ia + Ib + Ic = 0
其中，Ia、Ib和Ic为相电流。
(Ia, Ib, Ic) file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-20171.png (Iα, Iβ) 第二步：
三个相电流从定子三轴系统通过克拉克转换变为双轴坐标系统：
(Ia, Ib, Ic) file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-4874.png (Iα, Iβ)
其中，Iα和β是转化为双轴坐标系统的定子电流。
(Iα, Iβ)file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-21306.png(Id, Iq)
第三步：
有关元素和双轴定子电流本身具有时变属性，用传统的PI跟踪相当复杂。因此，我们根据转子位置(通过感应器或back EMF确定)让固定参考变为转动参考，其中轴元素保持常量，这样就能用传统PI控制器来抵消误差。转动通过帕克转换完成：
(Iα, Iβ)file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-26576.png (Id, Iq) 其中，Id和Iq从转子角度而言是相内和正交相定子电流。
第四步：
一旦矢量失去时变性，我们就能比较相应的轴矢量和参考，并就每个轴用PI控制器(见以下方程式)来确定误差校正信号。Id参考控制转子磁化通量。Iq参考则控制电动机的扭矩输出。
第五步：
PI控制器的相应输出随后可通过逆变帕克和克拉克转换传递，转变回3相定子参考。
第六步：
生成3相参考信号后，我们再用空间矢量调制(SVM)来调制PWM。
为什么选择FOC?
标量控制或六步转换进程是根据霍尔传感器输入(也可不采用传感器)控制BLDC电动机的传统方法，提供了动态反馈。只有在电动机达到下一位置时，它才给一对线圈通电，整流再进入下一步。如果实施方案采用感应器，则用霍尔传感器确定转子位置，电动机会相应整流。标量控制的优势在于其非常易于实施。一些高级标量控制方法使用电动机生成的back EMF确定转子的位置。但是，这种动态反馈不适用于周期内负载动态变化的应用。只有FOC这样的高级算法才能处理动态负载变化。
以下我们将介绍如何实施FOC控制算法。就本例而言，我们采用了赛普拉斯推出的PSoC 3。子系统分为以下几大模块：
磁场定向控制算法的不同模块(采用赛普拉斯推出的PSoC 3实施)。 1. 电流重构模块
我们用双分流器法重构电流。利用这种方法，我们可测量两个分支电流，并用Kirchhoff电流定律重构第三个电流。PWM设计为中央对齐，每个FOC周期在PWM周期中央捕获两个电流样本。进行采样后，FOC即开始采样的ADC转换，并重构电流。
2. 克拉克和帕克转换
重构电流随后转换为双相定子参考，再通过克拉克和帕克转换分别转换为双相转子参考。转换完成后，转子参考中的电流就能调节满足适当的速度和扭矩要求。
克拉克转换
输入：Ia, Ib, Ic.
输出：Iα, Iβ
转换：Iα = Ia
Iβ = (Ia + 2 * Ib)/√3
帕克转换
输入：Iα, Iβ
输出：Id, Iq
转换：Id = Iα cos θ + Iβ sin θ
Iq = Iα sin θ + Iβ cos θ
3. PI调节器
我们实施增益可调的一般性PI控制器和最小最大饱和，以调节双相转子参考电流及电动机速度。
4. 逆变帕克和克拉克转换
调节后的输出随后再转换为三相参考(PWM工作周期)，进而通过逆变帕克和克拉克转换)调节转子速度。
逆变帕克转换
输入：Vd, Vq
输出：Vα, Vβ
转换：Vα = Vd cos θ + Vq sin θ
Vβ = Vd sin θ + Vq cos θ
逆变克拉克转换
输入：Vα, Vβ
输出：Va, Vb, Vc
转换：Va = Vα
Vb = 1/2 * Vα + 2/√3 * Vβ
Vc = 1/2 * Vα - 2/√3 * Vβ
5. SVM(空间矢量调制)
空间矢量调制技术用于生成正弦波提供给定子线圈。根据逆变克拉克转换生成的三相参考，SVM生成的PWM比较值相位移120度。
其中：
tc, tb, ta à PWM比较寄存器值，表4.2。
T1 and T2 à 参见表1。
PWMperiod àPWM周期数。
表1. 查询T1和T2的搜索表
1-Vb-Vc
2-Vc-Va
3VbVa
4-Va-Vb
5VaVc
6VcVb
其中：
Va, Vb and Vc à 逆变克拉克转换输出。
根据以下标准决定区域：
如果Va > 0，则Sector_bit_0 = 1，否则为0。
如果Vb > 0，则Sector_bit_1 = 1，否则为0。
如果Vc > 0，则Sector_bit_2 = 1，否则为0。
表2：分配PWM工作周期的搜索表 区域123456
PWM_Atbtatatctctb
PWM_Btatctbtbtatc
PWM_Ctctbtctatbta
速度和位置感应
首先，我们检测一个霍尔传感器输入两个上升或下降边缘之间的周期来测出速度。检测的周期实际就是一个电子周期，是电子频率或速度逆变所得。电子速度值在每个FOC周期上累加，就计算出位置“Θ”。在本例中，FOC周期为200µS。我们用以下关系：
Θ = ωt
Θ à 角距为“t”秒
ω à 角速度
t à Θ计算时间间隔
位置Θ还能用编码器输入替代霍尔传感器来计算。我们不用累加速度，可直接获得位置信息。
FOC带来了出色的高效性和节能性，利用这种控制技术驱动电动机、满足实际需求，可大幅节约成本。此外，利用PSoC 3这种SoC的灵活性优势、丰富资源和小型化架构，包括硬件在内的整个控制算法(不含驱动器板)都能在单芯片中加以实施。 | 
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