国产欧美日韩精品a在线观看-国产欧美日韩精品一区二区三区-国产欧美日韩精品综合-国产欧美中文字幕-一区二区三区精品国产-一区二区三区精品国产欧美

★劉志鵬，張安東（貴州航天林泉電機(jī)有限公司蘇州分公司，江蘇蘇州215000）

關(guān)鍵詞：無(wú)感FOC；電機(jī)控制；可換向；試驗(yàn)驗(yàn)證

1 引言

永磁同步電機(jī)因其壽命長(zhǎng)、效率高、可靠性強(qiáng)、體積小的特點(diǎn)被運(yùn)用于各種場(chǎng)合，相較于傳統(tǒng)的方波控制，目前較為高效的FOC控制策略被廣泛應(yīng)用于永磁同步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制^[1]。FOC控制算法的精確程度主要取決于控制器對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子角度檢測(cè)的準(zhǔn)確性^[2]，目前對(duì)于電機(jī)轉(zhuǎn)子角度觀測(cè)策略大致分為有感、無(wú)感兩種，其中有感FOC主要依靠霍爾傳感器、光電編碼器以及旋轉(zhuǎn)變壓器等位置傳感器提供轉(zhuǎn)子信息^[3]。

有感FOC控制策略對(duì)轉(zhuǎn)子位置測(cè)量精度較高，電機(jī)控制效果較好，但對(duì)電機(jī)尺寸、造價(jià)以及外部環(huán)境有一定要求，不適用于低成本以及較為惡劣的工作環(huán)境^[4]。無(wú)感FOC控制策略通過讀取電機(jī)內(nèi)部狀態(tài)以獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子角度^[5]，用以實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有成本低、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)^[6]，被廣泛應(yīng)用于空調(diào)壓縮機(jī)、水泵、風(fēng)扇等作業(yè)場(chǎng)所。

國(guó)內(nèi)無(wú)感FOC控制策略多用于單向驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，對(duì)電機(jī)換向驅(qū)動(dòng)控制研究與應(yīng)用較少。針對(duì)該種情況，本文以可換向無(wú)感FOC控制策略為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種可換向的無(wú)感FOC控制策略，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 轉(zhuǎn)子位置估算原理

與有感控制策略不同，本文無(wú)感控制策略通過估算電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下的反電勢(shì)，經(jīng)過正反切計(jì)算估算得出實(shí)際轉(zhuǎn)子角度，以實(shí)現(xiàn)無(wú)位置傳感器狀態(tài)下電機(jī)轉(zhuǎn)子角度的讀取。

2.1 初始角度確定

與有感控制策略不同，無(wú)感FOC需對(duì)電機(jī)初始角度進(jìn)行設(shè)定，為后續(xù)計(jì)算角度讀取提供初值。

2.2 反電勢(shì)計(jì)算

根據(jù)電機(jī)模型公式（1）：

 ^（1）

可知在運(yùn)行狀態(tài)下，通過對(duì)電機(jī)輸入電流、電機(jī)輸入電壓讀取，可得出電機(jī)當(dāng)前狀態(tài)下反電勢(shì)具體數(shù)值，但該狀態(tài)下的電機(jī)模型與電機(jī)實(shí)際狀態(tài)模型具有一定區(qū)別，所得的反電勢(shì)數(shù)值誤差較大，為確保建立模型與電機(jī)實(shí)際狀態(tài)相符，本文以電機(jī)電流為變量，設(shè)計(jì)添加滑模觀測(cè)器。

2.3 滑模觀測(cè)器建立與轉(zhuǎn)子角度計(jì)算

本文選用兩種方式用以表示電機(jī)，一種是電機(jī)本體，另一種為控制器內(nèi)部軟件，兩種使用同一輸入電壓（Vs），以電機(jī)實(shí)際電流（Is）與電機(jī)估算電流（Is*）之間差值作為分析對(duì)象。

滑模觀測(cè)器原理如圖1所示，對(duì)于線性范圍外的誤差值，滑模觀測(cè)器輸出為（+Ksiled）或（-Ksilde），符號(hào)取決于誤差值符號(hào)，線性內(nèi)的區(qū)域則將計(jì)算后的結(jié)果輸出。每個(gè)計(jì)算周期均重復(fù)一遍該過程，隨著計(jì)算次數(shù)的增加，電機(jī)實(shí)際模型與估計(jì)模型基本一致，使得估計(jì)反電勢(shì)與實(shí)際反電勢(shì)基本一致。

圖1 滑模觀測(cè)器原理圖

通過公式（2）：θ=arctan(eα,eβ)（2）

獲得接近實(shí)際的電機(jī)轉(zhuǎn)子角度估算值。

3 整體控制策略

本文采用無(wú)感FOC作為整體控制策略，該策略主要由強(qiáng)拖啟動(dòng)、開環(huán)運(yùn)行、閉環(huán)運(yùn)行以及換向處理四部分組成。

3.1 強(qiáng)拖啟動(dòng)

本文采用強(qiáng)拖的方式對(duì)電機(jī)啟動(dòng)初始角度進(jìn)行設(shè)定，具體方式是通過短接電機(jī)相位線，將轉(zhuǎn)子強(qiáng)制拉至固定電角度。

該種方式的特點(diǎn)在于，電機(jī)啟動(dòng)初始角度為固定數(shù)值，但有一定概率在啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.2 開環(huán)運(yùn)行

強(qiáng)拖至固定位置后，電機(jī)反電勢(shì)較小，控制器無(wú)法準(zhǔn)確讀取，對(duì)此需進(jìn)行開環(huán)運(yùn)行。

具體運(yùn)行方式如圖2所示，電機(jī)啟動(dòng)階段以固定加速度運(yùn)行，相位角以無(wú)反饋的方式恒定遞增，該狀態(tài)下對(duì)電機(jī)q軸與d軸電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)q軸電流到達(dá)預(yù)設(shè)值后，控制器進(jìn)入閉環(huán)運(yùn)行狀態(tài)。

圖2 電機(jī)開環(huán)狀態(tài)運(yùn)行示意圖

3.3 閉環(huán)運(yùn)行

電機(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá)預(yù)設(shè)數(shù)值后，電機(jī)產(chǎn)生反電勢(shì)較大，可較為準(zhǔn)確讀取電機(jī)轉(zhuǎn)子信息，開始進(jìn)入電機(jī)FOC主體控制算法，為確保FOC控制算法的響應(yīng)速度FOC主體控制算法在AD的DMA中斷中進(jìn)行，具體方法如圖3所示。

圖3 FOC控制策略流程圖

本文方案中首先進(jìn)行電流閉環(huán)控制，電機(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá)預(yù)設(shè)典型值后，開啟速度閉環(huán)控制，該階段后，電機(jī)到達(dá)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

3.4 換向策略

無(wú)刷電機(jī)基本運(yùn)行方式是控制器通過對(duì)電機(jī)三相線圈依次通電產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生動(dòng)力。據(jù)此分析，如將三相線圈通電順序變換，則電機(jī)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)順序顛倒，最終實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行方向改變。

據(jù)此設(shè)計(jì)控制器換向策略，軸向順時(shí)針運(yùn)行狀態(tài)下，電機(jī)電流A、B采樣設(shè)定為A、B相電流數(shù)值，PWM輸出端按照A、B、C相依次輸出；軸向逆時(shí)針運(yùn)行狀態(tài)下，電機(jī)電流A、B采樣設(shè)定為B、A相電流數(shù)值，PWM輸出端按照B、A、C相依次輸出，以達(dá)到電機(jī)無(wú)感FOC換向的目的。如圖4所示。

圖4 控制器無(wú)感換向策略流程圖

4 控制器設(shè)計(jì)與搭建

根據(jù)整體控制思路與策略，控制器整體分為單片機(jī)控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、反饋采樣電路以及通訊接口四部分。

4.1 單片機(jī)控制電路

根據(jù)本文控制策略，選用Mirchip公司生成的16位單片機(jī)DSPIC33EP64MC202，該型單片機(jī)最高主頻120MHz，內(nèi)設(shè)8路AD輸入接口、2路串口、3個(gè)定時(shí)器以及用于輸出6路PWM信號(hào)的電機(jī)專用PWM模塊，根據(jù)電機(jī)控制過程中PWM控制信號(hào)的發(fā)生頻率的特點(diǎn)，本文采用8MHz晶振作為芯片外部時(shí)鐘，主頻采用80MHz，同時(shí)單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)通訊接口，用以實(shí)時(shí)監(jiān)控控制器運(yùn)行狀態(tài)。單片機(jī)控制電路如圖5所示。

圖5 單片機(jī)控制電路

4.2 驅(qū)動(dòng)電路

由于選用的單片機(jī)驅(qū)動(dòng)能力有限，需添加驅(qū)動(dòng)電路用于增強(qiáng)單片機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過增強(qiáng)后的驅(qū)動(dòng)信號(hào)傳遞至功率管，本文選用3組上下臂橋6個(gè)MOSFEET作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率元器件。

驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示，根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率，選用IR2136SPBF作為控制器驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片為三相全橋驅(qū)動(dòng)芯片，可用于驅(qū)動(dòng)600V以內(nèi)的MOSFEET或IGBT，滿足電機(jī)控制需求，同時(shí)該芯片具有硬件過流保護(hù)功能，在硬件上確保功率元器件不會(huì)被過大電流燒毀。

圖6 驅(qū)動(dòng)電路

4.3 反饋采樣電路

根據(jù)低成本設(shè)計(jì)要求，本文采用電阻采樣作為電流采樣方式。但該種方式電流采樣數(shù)值較小，不利于單片機(jī)對(duì)電機(jī)相電流采樣準(zhǔn)確性，對(duì)此結(jié)合控制策略設(shè)計(jì)反饋采樣電路，被采集的電機(jī)相電流信號(hào)經(jīng)過比例放大，傳遞至單片機(jī)AD輸入引腳，經(jīng)過比例計(jì)算得出實(shí)際電路數(shù)值，如圖7所示。

圖7 反饋采樣電路

4.4 供電電源電路

根據(jù)所控制芯片供電電壓為3.3V的情況，設(shè)計(jì)電源供電方案，電源輸入后，將母線電源分為控制電與功率電。控制電源用于為單片機(jī)控制電路、采樣反饋電路以及驅(qū)動(dòng)芯片供電，單片機(jī)控制電路、采樣反饋電路電源需經(jīng)過電源芯片進(jìn)行降壓處理后使用；功率電源則直接為電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率元器件直接進(jìn)行供電，如圖8所示。

圖8 供電電源電路

5 驗(yàn)證試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)?zāi)康募耙?guī)劃

為驗(yàn)證本文控制策略可靠性，需進(jìn)行控制器試驗(yàn)驗(yàn)證。

具體試驗(yàn)材料為：控制器一臺(tái)、永磁同步電機(jī)一臺(tái)、示波器一臺(tái)以及測(cè)功機(jī)一臺(tái)。其中永磁同步的電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為4000rpm，額定電壓12V，額定功率120W，且電機(jī)頂端安裝電子齒輪作為預(yù)設(shè)恒定負(fù)載。

規(guī)劃試驗(yàn)由可靠性試驗(yàn)和對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)兩部分組成。

可靠性試驗(yàn)是通過對(duì)比驗(yàn)證該算法能否在兩種旋轉(zhuǎn)方向成功驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)并穩(wěn)定運(yùn)行，可靠性試驗(yàn)具體規(guī)劃如下：

預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速4000rpm，對(duì)比兩種旋轉(zhuǎn)方向的啟動(dòng)以及閉環(huán)運(yùn)行狀態(tài)下的電流波形，分析該控制器運(yùn)行可靠性。

對(duì)比分析試驗(yàn)則是通過對(duì)比兩種旋轉(zhuǎn)方向分析電機(jī)在閉環(huán)運(yùn)行狀態(tài)下不同轉(zhuǎn)速的電流數(shù)值區(qū)別，對(duì)比試驗(yàn)具體規(guī)劃如下：

分別在12V額定電壓下對(duì)比測(cè)試兩方向的1000、2000、3000、4000rpm下測(cè)量電機(jī)母線電流有效值，分析兩者差異，根據(jù)產(chǎn)品要求，如母線電流有效值差異值小于0.2A，則可判定該控制策略可行性。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

首先進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，進(jìn)行如圖9所示的可靠性試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示，根據(jù)電流波形對(duì)比分析，兩種旋轉(zhuǎn)方向均能穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行且電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)較為穩(wěn)定。

圖9 驗(yàn)證試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

圖10 可靠性試驗(yàn)結(jié)果波形圖

根據(jù)試驗(yàn)規(guī)劃，進(jìn)行對(duì)比分析試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，其中CW指電機(jī)軸向逆時(shí)針方向，CCW指電機(jī)軸向順時(shí)針方向，

表1 對(duì)比分析試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，在本文控制策略中電機(jī)在不同方向、相同轉(zhuǎn)速時(shí)母線電流最大差異值為0.1A，該差異值小于0.2A，據(jù)此可確定本文控制策略適用于本文的可換向無(wú)感FOC控制應(yīng)用場(chǎng)合。

6 結(jié)語(yǔ)

本文以可換向無(wú)感FOC控制策略為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一款可換向的無(wú)感FOC控制策略，該策略以強(qiáng)拖作為啟動(dòng)方式，通過滑模觀測(cè)器觀測(cè)電機(jī)實(shí)際狀態(tài)，結(jié)合電機(jī)運(yùn)行原理，設(shè)計(jì)了無(wú)感FOC電機(jī)換向策略，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證該換向策略可行性，為日后采用相同設(shè)計(jì)方案提供參考。

作者簡(jiǎn)介：

劉志鵬 （1994-），吉林延邊人，助理工程師，碩士，現(xiàn)就職于貴州航天林泉電機(jī)有限公司蘇州分公司，研究方向?yàn)殡姍C(jī)控制。

張安東 （1974-），上海人，教授級(jí)高級(jí)工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于貴州航天林泉電機(jī)有限公司蘇州分公司，研究方向?yàn)殡姍C(jī)控制。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳志偉.基于滑模觀測(cè)器的直流無(wú)刷電機(jī)矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].江蘇:東南大學(xué),2017.

[2]何鄭,馬西沛,范平清,趙恒,王巖松.永磁同步電機(jī)無(wú)位置傳感器控制策略研究[J].上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2021,35(04):321-326.

[3]易磊,曲榮海,李新華,等.霍爾位置檢測(cè)的電動(dòng)汽車永磁電機(jī)矢量控制[J].微特電機(jī),2018,46(9):63-67.

[4]曹雷.永磁同步電機(jī)無(wú)速度傳感器矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].湖南:湖南大學(xué),2020.

[5]孫愷英.永磁同步電機(jī)無(wú)速度傳感器狀態(tài)估計(jì)及控制策略研究[D].天津:天津大學(xué),2019.

[6]趙靖,曾靈飛.現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].時(shí)代汽車,2020,(07):22-23.

摘自《自動(dòng)化博覽》2022年7月刊