APM32F035 FOC零基础电机入门调试（一） - 了解电机基本参数的设定

[i=s] 本帖最后由 lc115647 于 2025-1-22 21:53 编辑 [/i]<br /> <br />

[i=s] 本帖最后由 lc115647 于 2025-1-22 21:52 编辑 [/i]

[i=s] 本帖最后由 lc115647 于 2025-1-22 21:44 编辑 [/i]

一、有感电机基本参数的设定

下图是035有感FOC代码中需要调整的电机基本参数

1、POLEPAIRS（极对数）

电机极对数的定义和作用：电机的极对数是指电动机的磁极数，磁极分为N极和S极，通常磁极是成对出现的，如2极电机、4极电机等。每个N极和S极称为一对磁极，即极对数为1。电机极对数对电机的性能和应用有着重要影响，不同的极对数会导致电机的转速和扭矩特性不同。

电机极对数的测量方法

• ‌‌观察电机外壳上的铭牌或标签：通常电机的型号、功率、电压等信息都会标明极对数。
• 直流法‌：测量任意两相阻值，给该两相加可以产生1A左右的电压，手转电机一圈，感到阻力的次数就是极对数
• ‌‌示波器法‌：使用示波器电压探头夹任意两相，手转电机一圈，查看波形的波峰数或者波谷数就是极对数
• ‌检查电机内部结构‌：对于有刷电动机，可以通过检查电机内部的转子铁芯来判断极对数；对于无刷电动机，可以通过检查电机内部的定子铁芯来判断极对数。

电机极对数与转速的关系

电动机的转速与极对数有关，计算公式为：电动机转速 = 60 × 频率 / 极对数。选择电动机的极数是由负荷需要的转速来确定的，电动机的极数直接影响电动机的转速。

2、SPEED_CALIBRATION（额定转速）

根据电机参数进行填写：如下图中额定转速为 3000±10% RPM，即在 2700 RPM 到 3300 RPM 之间

3、MAX_SPEED（最大转速）

根据电机参数进行填写：如下图中空载转速为 3500±10% 转每分钟（RPM），即转速在 3150 RPM 到 3850 RPM 之间。因此建议设定最大转速不要超过3850 RPM，否则容易出现硬件过流（实测踩过坑），代码中的Motor_type.User.u16_Fault 变量为电机故障码，可通过监测该变量值了解当前电机异常状态。

4、OVER_SPEED_VALUE（超速值）

根据实际需求填写：设定速度超过一定值后触发保护

5、FREQ2RPM_Q2

定义了一个从频率转换到转速的公式，通过除以极对数来实现频率到转速的转换，用于电机控制算法中根据频率计算转速。

6、MAX_DUTY

定义了最大占空比为 0.95，占空比常用于电机控制中的脉宽调制（PWM）

7、SPD_PI_LIMIT

定义了速度 PI（比例 - 积分）控制器的输出限制，这是为了限制速度控制环节的输出电流，防止过大的电流对电机或控制系统造成损害，单位为安培，可以通过电机参数中的功率与电压计算出电路的最大值。

二、无感电机基本参数设定

下图是035无感FOC代码中需要调整的电机基本参数：

1、观测器

无感FOC需要使用观测器，观测器是一种基于电机数学模型和可测量变量，通过特定算法来估计电机内部不可直接测量状态变量的算法或装置。以下从其原理、类型和作用等方面详细介绍：

1.1 工作原理

观测器依据电机的基本物理定律和数学模型，如电压方程、磁链方程和转矩方程等，建立起可测量变量（如定子电压、电流）与不可直接测量状态变量（如转子位置、速度、磁链）之间的关系。然后，利用测量得到的实时数据，通过数值计算和算法迭代，不断更新对这些状态变量的估计值。

1.2 常见类型

• 基于滑模变结构的观测器：通过设计滑模面和切换函数，使系统状态在滑模面上滑动，对系统参数变化和外部干扰具有较强的鲁棒性，但可能存在抖振问题。
• 基于模型参考自适应的观测器：将一个参考模型与实际电机模型进行比较，通过自适应算法调整观测器的参数，使观测器的输出跟踪参考模型的输出，具有较好的自适应能力，但对模型的准确性依赖较大。
• 基于扩展卡尔曼滤波的观测器：利用卡尔曼滤波算法对电机状态进行最优估计，能够有效地处理系统中的噪声和不确定性，但计算量较大，对硬件要求较高。

APM32F035 无感FOC代码使用滑膜观测器，下面是相关的参数设定。

1.3 作用

观测器在电机 FOC 中起着关键作用，它能够实现无传感器控制，降低系统成本和复杂性；提高控制性能，确保电机在不同工况下的稳定运行；进行磁链估计，实现磁场定向控制和故障诊断；还能对干扰和不确定性进行补偿，增强系统的稳定性和鲁棒性。观测器的作用主要是通过可测量的电机变量（如电压、电流等）来估计那些难以直接测量的电机状态变量（如转子位置、速度、磁链等）。

1.3.1 转子位置和速度估计

• 无传感器控制：在一些应用场景中，安装物理传感器（如编码器）来直接测量电机转子的位置和速度可能会增加系统成本、体积和复杂性，甚至在某些恶劣环境下无法使用。观测器可以基于电机的数学模型和测量到的电气量（如定子电流、电压），通过算法估计出转子的位置和速度，从而实现无传感器控制，降低系统成本和提高可靠性。
• 提高控制性能：准确的转子位置和速度信息对于 FOC 算法至关重要。观测器能够实时、精确地估计转子位置和速度，为矢量控制提供准确的反馈，使电机在不同工况下都能保持良好的运行性能，如在启动、制动、变速过程中实现平滑过渡，提高系统的动态响应速度和稳定性。

1.3.2 磁链估计

• 磁场定向控制：FOC 需要对电机的定子磁链和转子磁链进行准确的控制和定向。观测器可以估计出磁链的幅值和相位，从而实现定子电流的 d 轴和 q 轴分量的解耦控制，使电机能够按照期望的方式运行，提高电机的效率和功率因数。
• 故障诊断与保护：通过观测磁链的变化，可以监测电机内部的磁场状态。当电机出现故障（如绕组短路、磁路饱和等）时，磁链会发生异常变化，观测器可以及时检测到这些变化，为故障诊断和保护提供依据，避免电机进一步损坏。

1.3.3 干扰和不确定性补偿

• 系统稳定性增强：实际的电机系统中存在各种干扰因素（如负载扰动、电磁干扰等）以及模型不确定性（如电机参数的变化）。观测器可以实时估计这些干扰和不确定性的影响，并通过控制器进行补偿，从而增强系统的稳定性和鲁棒性，保证电机控制系统在各种复杂工况下都能稳定运行。
• 优化控制策略：基于观测器对干扰和不确定性的估计，可以进一步优化控制策略，如采用自适应控制、鲁棒控制等方法，使电机控制系统能够更好地适应不同的工作条件和变化，提高控制精度和性能。

2、RS（相电阻）

测量方式：

• 可以直接通过电机参数规格书，有些会标明，如上图中PHASE TO PHASE RESISTANCE：表明相电阻为 0.18 欧姆（Ω）
• 可以通过万用表测量任意两相之间的电阻值，将测出的电阻值除以2即可，根据下图可以了解到假如测量到A、B两相之间实际是Rbo和Rao的和，因此在不考虑误差的因素下实际值为测量到的值的一半。

3、RL（相电感）

测量方式：

• 可以直接通过电机参数规格书，有些会标明。
• 可以通过电桥在1Khz的频率下任意两相的电感值LL，相电感Ls=LL/2