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

關(guān)鍵詞：無感FOC；電機控制；可換向；試驗驗證

1 引言

永磁同步電機因其壽命長、效率高、可靠性強、體積小的特點被運用于各種場合，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)用于永磁同步電機的驅(qū)動控制^[1]。FOC控制算法的精確程度主要取決于控制器對電機轉(zhuǎn)子角度檢測的準(zhǔn)確性^[2]，目前對于電機轉(zhuǎn)子角度觀測策略大致分為有感、無感兩種，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控制策略對轉(zhuǎn)子位置測量精度較高，電機控制效果較好，但對電機尺寸、造價以及外部環(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]。無感FOC控制策略通過讀取電機內(nèi)部狀態(tài)以獲取電機轉(zhuǎn)子角度^[5]，用以實現(xiàn)電機驅(qū)動，具有成本低、可靠性強等特點^[6]，被廣泛應(yīng)用于空調(diào)壓縮機、水泵、風(fēng)扇等作業(yè)場所。

國內(nèi)無感FOC控制策略多用于單向驅(qū)動電機運行，對電機換向驅(qū)動控制研究與應(yīng)用較少。針對該種情況，本文以可換向無感FOC控制策略為研究對象，設(shè)計了一種可換向的無感FOC控制策略，并進(jìn)行試驗驗證。

2 轉(zhuǎn)子位置估算原理

與有感控制策略不同，本文無感控制策略通過估算電機運行狀態(tài)下的反電勢，經(jīng)過正反切計算估算得出實際轉(zhuǎn)子角度，以實現(xiàn)無位置傳感器狀態(tài)下電機轉(zhuǎn)子角度的讀取。

2.1 初始角度確定

與有感控制策略不同，無感FOC需對電機初始角度進(jìn)行設(shè)定，為后續(xù)計算角度讀取提供初值。

2.2 反電勢計算

根據(jù)電機模型公式（1）：

 ^（1）

可知在運行狀態(tài)下，通過對電機輸入電流、電機輸入電壓讀取，可得出電機當(dāng)前狀態(tài)下反電勢具體數(shù)值，但該狀態(tài)下的電機模型與電機實際狀態(tài)模型具有一定區(qū)別，所得的反電勢數(shù)值誤差較大，為確保建立模型與電機實際狀態(tài)相符，本文以電機電流為變量，設(shè)計添加滑模觀測器。

2.3 滑模觀測器建立與轉(zhuǎn)子角度計算

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

滑模觀測器原理如圖1所示，對于線性范圍外的誤差值，滑模觀測器輸出為（+Ksiled）或（-Ksilde），符號取決于誤差值符號，線性內(nèi)的區(qū)域則將計算后的結(jié)果輸出。每個計算周期均重復(fù)一遍該過程，隨著計算次數(shù)的增加，電機實際模型與估計模型基本一致，使得估計反電勢與實際反電勢基本一致。

圖1 滑模觀測器原理圖

通過公式（2）：θ=arctan(eα,eβ)（2）

獲得接近實際的電機轉(zhuǎn)子角度估算值。

3 整體控制策略

本文采用無感FOC作為整體控制策略，該策略主要由強拖啟動、開環(huán)運行、閉環(huán)運行以及換向處理四部分組成。

3.1 強拖啟動

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

該種方式的特點在于，電機啟動初始角度為固定數(shù)值，但有一定概率在啟動時出現(xiàn)電機反向轉(zhuǎn)動。

3.2 開環(huán)運行

強拖至固定位置后，電機反電勢較小，控制器無法準(zhǔn)確讀取，對此需進(jìn)行開環(huán)運行。

具體運行方式如圖2所示，電機啟動階段以固定加速度運行，相位角以無反饋的方式恒定遞增，該狀態(tài)下對電機q軸與d軸電流進(jìn)行實時監(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)運行狀態(tài)。

圖2 電機開環(huán)狀態(tài)運行示意圖

3.3 閉環(huán)運行

電機轉(zhuǎn)速到達(dá)預(yù)設(shè)數(shù)值后，電機產(chǎn)生反電勢較大，可較為準(zhǔn)確讀取電機轉(zhuǎn)子信息，開始進(jìn)入電機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，電機到達(dá)穩(wěn)定運行狀態(tài)。

3.4 換向策略

無刷電機基本運行方式是控制器通過對電機三相線圈依次通電產(chǎn)生感應(yīng)磁場，推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生動力。據(jù)此分析，如將三相線圈通電順序變換，則電機線圈產(chǎn)生的感應(yīng)磁場順序顛倒，最終實現(xiàn)電機運行方向改變。

據(jù)此設(shè)計控制器換向策略，軸向順時針運行狀態(tài)下，電機電流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；軸向逆時針運行狀態(tài)下，電機電流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)到電機無感FOC換向的目的。如圖4所示。

圖4 控制器無感換向策略流程圖

4 控制器設(shè)計與搭建

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

4.1 單片機控制電路

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

圖5 單片機控制電路

4.2 驅(qū)動電路

由于選用的單片機驅(qū)動能力有限，需添加驅(qū)動電路用于增強單片機驅(qū)動信號，經(jīng)過增強后的驅(qū)動信號傳遞至功率管，本文選用3組上下臂橋6個MOSFEET作為電機驅(qū)動功率元器件。

驅(qū)動電路如圖6所示，根據(jù)驅(qū)動電機功率，選用IR2136SPBF作為控制器驅(qū)動芯片，該芯片為三相全橋驅(qū)動芯片，可用于驅(qū)動600V以內(nèi)的MOSFEET或IGBT，滿足電機控制需求，同時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被過大電流燒毀。

圖6 驅(qū)動電路

4.3 反饋采樣電路

根據(jù)低成本設(shè)計要求，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，不利于單片機對電機相電流采樣準(zhǔn)確性，對此結(jié)合控制策略設(shè)計反饋采樣電路，被采集的電機相電流信號經(jīng)過比例放大，傳遞至單片機AD輸入引腳，經(jīng)過比例計算得出實際電路數(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控制電路、采樣反饋電路以及驅(qū)動芯片供電，單片機控制電路、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驅(qū)動功率元器件直接進(jìn)行供電，如圖8所示。

圖8 供電電源電路

5 驗證試驗

5.1 試驗?zāi)康募耙?guī)劃

為驗證本文控制策略可靠性，需進(jìn)行控制器試驗驗證。

具體試驗材料為：控制器一臺、永磁同步電機一臺、示波器一臺以及測功機一臺。其中永磁同步的電機的額定轉(zhuǎn)速為4000rpm，額定電壓12V，額定功率120W，且電機頂端安裝電子齒輪作為預(yù)設(shè)恒定負(fù)載。

規(guī)劃試驗由可靠性試驗和對比驗證試驗兩部分組成。

可靠性試驗是通過對比驗證該算法能否在兩種旋轉(zhuǎn)方向成功驅(qū)動電機啟動并穩(wěn)定運行，可靠性試驗具體規(guī)劃如下：

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

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

分別在12V額定電壓下對比測試兩方向的1000、2000、3000、4000rpm下測量電機母線電流有效值，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 試驗結(jié)果分析

首先進(jìn)行可靠性試驗，進(jìn)行如圖9所示的可靠性試驗。

試驗結(jié)果如圖10所示，根據(jù)電流波形對比分析，兩種旋轉(zhuǎn)方向均能穩(wěn)定驅(qū)動電機運行且電機運行狀態(tài)較為穩(wěn)定。

圖9 驗證試驗現(xiàn)場圖

圖10 可靠性試驗結(jié)果波形圖

根據(jù)試驗規(guī)劃，進(jìn)行對比分析試驗。試驗結(jié)果如表1所示，其中CW指電機軸向逆時針方向，CCW指電機軸向順時針方向，

表1 對比分析試驗結(jié)果

根據(jù)試驗結(jié)果可知，在本文控制策略中電機在不同方向、相同轉(zhuǎn)速時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感FOC控制應(yīng)用場合。

6 結(jié)語

本文以可換向無感FOC控制策略為研究對象，設(shè)計了一款可換向的無感FOC控制策略，該策略以強拖作為啟動方式，通過滑模觀測器觀測電機實際狀態(tài)，結(jié)合電機運行原理，設(shè)計了無感FOC電機換向策略，并通過試驗驗證該換向策略可行性，為日后采用相同設(shè)計方案提供參考。

作者簡介：

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有限公司蘇州分公司，研究方向為電機控制。

張安東 （1974-），上海人，教授級高級工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于貴州航天林泉電機有限公司蘇州分公司，研究方向為電機控制。

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摘自《自動化博覽》2022年7月刊