电机驱动方案调研

发表于 2023-1-31 11:39

这里PWM的驱动方式存在两种，1是互补设输出，2是单极输出，这就导致了在实际驱动BLDCM时存在几种斩波方式。

发表于 2023-1-31 11:40

SPWM三角波调制

通过三角载波与调制波的比较，确定SPWM波形。其与SVPWM方式一样，是为了得到具有正弦规律变化的方波。 QQ截图20230131113942.png

发表于 2023-1-31 11:45

但是SPWM调制方式在FOC磁场定向控制中不常用（实际上这是一种相电压控制方式），原因是SPWM要比SVPWM母线电压利用率低15%左右，见下图。 QQ截图20230131114505.png

发表于 2023-1-31 11:45

SVPWM空间矢量调制
QQ截图20230131114542.png

发表于 2023-1-31 11:46

对电机三相电流进行采样得到 Ia,Ib,Ic
将Ia,Ib,Ic 经过 Clark变换得到 Iα，Iβ
将Iα，Iβ经过Park变换得到Id,Iq
计算Id,Iq和其设定值Id_ref,Iq_ref的误差
将上述误差输入两个PID（只用到PI）控制器，得到输出的控制电压 Uq，Ud
将Uq，Ud进行反Park变换得到Uα，Uβ
用Uα，Uβ合成电压空间矢量，输入SVPWM模块进行调制，输出该时刻三个半桥的状态编码值（见下图表）
按照前面输出的编码值控制三相逆变器的MOS管开关，驱动电机
循环上述步骤

发表于 2023-1-31 11:59

发表于 2023-1-31 11:59

PMSM的matlab仿真

三相逆变桥上半桥状态matlab仿真波形，详情见simulink模型<PMSM_FOC>

发表于 2023-1-31 12:00

发表于 2023-1-31 12:02

电机应用
在电机控制中，我们需要知道三个电机基本信息：1、三相电流；2、电角度；3、转子转速。

三相电流测量方案：

1、霍尔元件；2、电流互感器；3、采样电阻（低成本电阻+运放，低端采样分三双单电阻采样）

电角度测量方案：

1、磁编码器；2、霍尔元件；3、观测器

转子转速测量方案：

1、编码器；2、由电角度估算

发表于 2023-1-31 12:03

三相电流测量
霍尔传感器

图三霍尔传感器测量三相电流

一般使用两个即可，通过KCL，Ia+Ib+Ic = 0，可以求解第三个相电流。

发表于 2023-1-31 12:06

电流互感器(相当于变压器)

图电流互感器测量

发表于 2023-1-31 12:06

采样电阻

图低端电阻采样方式

发表于 2023-1-31 12:13

电角度测量
霍尔传感器+旋转编码器

一TI C2000MCU为例，通过霍尔传感器三个信号估算初始位置，然后通过旋转编码器的Z相同步信号，消除累计误差。解决这两个问题后，可以直接读取寄存器QPOSCNT寄存器的计数来确定任意时刻的绝对位置。

发表于 2023-1-31 12:13

转子转速测量
旋转编码器

图旋转编码器结构及信号输出

通过两种方式计算转速，

1 固定时间，测量脉冲数。

2 固定脉冲，数测量所需时间。

发表于 2023-1-31 12:14

附录
电机名词解释及公式
1 转矩：一种力矩，电机中又可称扭矩，单位 N·m

公式转矩T = F · r （力 × 力臂）

2 转速：电机每分钟转圈数，单位 r/min。

力臂上某点的速度：V = ω · r ( 角速度 × 某点力臂)，单位 rad/s。弧度制V 与转速N 的相互转化：ω = （2pi / 60）· N

3 功率：P = F·V = T·ω = a·T·N

4 绕组反电动势：源自感生电动势，即永磁体转动线圈的磁场产生变化，产生感应电动势。根据楞次定律（感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化）判断。

感生电动势，E = n·△Φ/△t

磁通量：Φ = B·S·cosθ（B是磁感应强度，S是线圈平面面积，θ是线圈平面法线与磁感应强度B的夹角）

5 载波比：mf为三角载波信号频率fc与正弦调制波信号频率f之比，即mf = fc / f

6 调制深度：mm为正弦调制信号幅值Vm与三角波信号幅值Vsm之比，即mm = Vm / Vsm

7 斩波：又称DC-DC变换，指将一数值的直流电压变为零一数值的直流电压。

发表于 2023-1-31 12:19

PID介绍

图 PID控制框图

发表于 2023-1-31 12:20

公式介绍：

图连续公式

图离散公式

Kp-------比例常数

Ki= (Kp*T)/Ti------积分常数

Kd=(Kp*Td)/T------微分常数

发表于 2023-1-31 12:21

Clark变换&Park变换

简化PMSM模型，使用禁止坐标系clark变换和同步旋转坐标Park变换

Clark

将自然坐标系abc变换到α-β坐标系

图 clark变换

发表于 2023-1-31 12:22

变换公式如下：

写成矩阵：

注：上述公式没有考虑约束条件，若变换前后幅值不变需要乘上系数2/3；若变换前后功率不变，系数则为sqrt(2/3)

发表于 2023-1-31 15:45

Park

将静止坐标系α-β 换到同步旋转坐标系d-p

图 park变换

[文档] 电机驱动方案调研

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