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2018年09月22日 | 【STM32電機(jī)矢量控制】記錄5——FOC原理大概

發(fā)布者:美人如玉劍如虹 來(lái)源: eefocus關(guān)鍵字:STM32  電機(jī)  矢量控制 手機(jī)看文章 掃描二維碼
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FOC控制算法:

FOC控制的其實(shí)是電機(jī)的電磁場(chǎng)方向。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子力矩正比于定子的磁場(chǎng)向量與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)矢量的矢量積。由矢量的關(guān)系可知,若使電機(jī)的轉(zhuǎn)矩時(shí)刻保持最大,則定子磁場(chǎng)向量應(yīng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)向量相互垂直。又因?yàn)榇艌?chǎng)的大小與方向與電流的大小與方向有著直接的關(guān)系,所以在用FOC控制算法控制BLDC時(shí)的關(guān)鍵就是控制三相輸入的電流大小與方向。而控制電流產(chǎn)生定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)垂直的關(guān)鍵在:控制穩(wěn)定的三相輸入電壓及其電流向量,并且我們得知道轉(zhuǎn)子的實(shí)時(shí)位置。

輸入電流的方向控制,F(xiàn)OC給出了空間電流矢量的概念。其實(shí)質(zhì)是將三相的電流矢量結(jié)合,再分解為垂直和平行于轉(zhuǎn)子磁體軸方向的兩個(gè)分量即d-q結(jié)構(gòu)。垂直方向的電流分量所產(chǎn)生磁場(chǎng)正交于轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng),這就產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)力矩。而平行于轉(zhuǎn)子磁軸方向的電流分量,所產(chǎn)生的磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)一致,就不會(huì)產(chǎn)生任何的力矩。另外,一個(gè)好的控制算法就需要使這個(gè)平行于轉(zhuǎn)子磁軸方向的電流分量盡量最小化,因?yàn)椋@個(gè)電流分量只會(huì)使電機(jī)產(chǎn)生多余的熱量,并加劇軸承的磨損。我們需要控制線圈的電流,以使垂直于轉(zhuǎn)子磁軸方向的電流分量達(dá)到最大。由此而得到的電機(jī)力矩和這個(gè)電流分量的大小成比例。

為了使與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)同向的定子電流矢量最小化(為零)且垂直的磁場(chǎng)最大化,定子線圈內(nèi)的弦波電流需要隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)角度實(shí)時(shí)地進(jìn)行相位調(diào)整。控制穩(wěn)定的三相電流輸入可以建立P-I控制器,P-I控制是在不停的調(diào)制輸入,一旦電機(jī)電流被轉(zhuǎn)化成d-q結(jié)構(gòu),控制將變得非常簡(jiǎn)單。我們需要兩路P-I控制器;一個(gè)控制平行與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的電流,一個(gè)控制垂直向電流。因?yàn)槠叫邢螂娏鞯目刂菩盘?hào)為零,所以這就使電機(jī)平行向的電流分量也變成零,這也就驅(qū)使電機(jī)的電流矢量全部轉(zhuǎn)化為垂直向的電流。由于只有垂直向電流才能產(chǎn)生有效的力矩,這樣電機(jī)的效率被最大化。另一路P-I控制器主要用來(lái)控制垂直向的電流,以獲得與輸入信號(hào)相符的需求力矩。這也就使垂直向電流按照要求被控制以獲得所需的力矩。

轉(zhuǎn)子的實(shí)時(shí)位置的確定有兩種情況:有位置傳感器、無(wú)位置傳感器。對(duì)于有傳感器,由于電機(jī)的傳感器(一般為編碼器)能反饋電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息,因此在控制中可以不使用位置估算算法,控制起來(lái)相對(duì)無(wú)傳感器簡(jiǎn)單,但是對(duì)帶傳感器的電機(jī)應(yīng)用來(lái)說(shuō),往往對(duì)控制性能要求較高。對(duì)于無(wú)傳感器,由于電機(jī)不帶任何傳感器,因此不能通過(guò)簡(jiǎn)單讀取傳感器的測(cè)量值來(lái)得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息,所以在控制中需要通過(guò)采集電機(jī)相電流,使用位置估算算法來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)子位置。

FOC控制原理圖:

【STM32電機(jī)FOC】記錄5——FOC原理大概

  1. 采集到兩相電流 

  2. 經(jīng)過(guò)clarke變換后得到兩軸正交電流量, 

  3. 經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)變換后得到正交的電流量 Id、Iq,其中Iq與轉(zhuǎn)矩有關(guān),Id與磁通有關(guān)。在實(shí)際控制中,常將Id置為0。得到的這兩個(gè)量不是時(shí)變的,因此可以單獨(dú)的對(duì)這兩個(gè)量進(jìn)行控制,類似直流量控制一樣。而不需要知道具體要給電機(jī)三相具體的電壓為多少。 

  4. 將第3步中得到的Iq與Id量分別送進(jìn)PI調(diào)節(jié)器,得到對(duì)應(yīng)的輸出Vq和Vd; 

  5. 通過(guò)傳感器得到電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度。 

  6. 進(jìn)行逆park變換,得到二軸電流量。 

  7. 對(duì)第6步中的Va,Vb進(jìn)行逆clarke變換,得到實(shí)際需要的三相電壓輸入給逆變電橋,驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。


SVPWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式:

其實(shí)現(xiàn)流程大致如下所示:

1. 判斷合成矢量所在扇區(qū)

將U、V、W三相電壓矢量合成矢量電壓Uref并在二相坐標(biāo)系中形成分量Uα、Uβ(在FOC中由逆Pack變換得到)由合成矢量落在各扇區(qū)的充分必要條件分析可知合成矢量所屬扇區(qū)。

2. 計(jì)算相鄰矢量作用時(shí)間

【STM32電機(jī)FOC】記錄5——FOC原理大概

3. 計(jì)算各橋臂導(dǎo)通時(shí)間及各相PWM占空比

【STM32電機(jī)FOC】記錄5——FOC原理大概

4.  更新相應(yīng)寄存器值

  將上面計(jì)算出的TCM1、TCM2、TCM3送入單片機(jī)定時(shí)器寄存器即可產(chǎn)生SVPWM

三電阻電流采樣的可行性:

由于逆變器三相橋臂的上下橋的IGBT的開(kāi)通與關(guān)斷是互補(bǔ)的,則每一橋臂的上下橋臂的控制信號(hào)也應(yīng)均是互補(bǔ)輸出。假定對(duì)其單一相位,如A相位,進(jìn)行導(dǎo)通取樣。當(dāng)IGBT2導(dǎo)通,IGBT1必然關(guān)斷,此時(shí)電流流向應(yīng)與A相電流大小相等方向相反。因此將此時(shí)采樣到的電流進(jìn)行取反就能得到A相電流。(由于IGBT的開(kāi)關(guān)頻率非常高,從而導(dǎo)致采樣頻率也就遠(yuǎn)大于相電流頻率,由采樣定理可知,此時(shí)根據(jù)采樣電流即可恢復(fù)出為A相電流的值)

【STM32電機(jī)FOC】記錄5——FOC原理大概


主要完成任務(wù):

1、初步理解FOC控制算法的原理

2、初步理解SVPWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式

3、了解三電阻電流采樣的其可行性


關(guān)鍵字:STM32  電機(jī)  矢量控制 引用地址:【STM32電機(jī)矢量控制】記錄5——FOC原理大概

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