基于STM32F1xx系列單片機(jī)的PMSM控制技術(shù)

郝玉峰

摘 要

文章基于STM32F1系列單片機(jī)，采用FOC控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)（SPMSM）的扭矩與轉(zhuǎn)速控制，采用三電阻法實(shí)現(xiàn)電流采樣，并通過(guò)Clark與Park變換方程與龍伯格狀態(tài)觀測(cè)器實(shí)現(xiàn)PMSM的無(wú)傳感器轉(zhuǎn)速與位置估算，反電動(dòng)勢(shì)計(jì)算，并最終實(shí)現(xiàn)PMSM的啟動(dòng)與轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制。

關(guān)鍵詞

永磁同步電機(jī);STM32F1xx;無(wú)傳感器估算;三電阻法;狀態(tài)觀測(cè)器

中圖分類(lèi)號(hào)： TM352 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.04.78

0 引言

永磁同步電機(jī)的控制算法眾多[1-2]，其中最簡(jiǎn)單有效的控制策略便是6步法控制，這種控制方法雖然簡(jiǎn)單，但是需要加裝霍爾傳感器用以檢測(cè)位置信號(hào)，根據(jù)霍爾傳感器的不同位置信息（一個(gè)電周期有6種不同位置信號(hào)），切換橋式換向電路進(jìn)行電換向。由于這種算法只關(guān)心位置變化時(shí)刻的轉(zhuǎn)子位置信息，而對(duì)于兩個(gè)換向過(guò)程之間的位置和轉(zhuǎn)速信息無(wú)法得知，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和位置的精確控制，同時(shí)由于六步法輸出的控制波形為方波信號(hào)，其轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也是極其難以消除的。因此這種控制算法雖然簡(jiǎn)單，但是控制效果并不理想。

本文采用磁場(chǎng)定向控制算法（FOC）。FOC的主要特點(diǎn)是采用電壓空間矢量調(diào)制技術(shù)（SVPWM）直接著眼于如何使電機(jī)的磁鏈軌跡更接近于圓形。文章以STM32F1xx系列芯片的外設(shè)為基礎(chǔ)（參見(jiàn)參考文獻(xiàn)，本文并不多做介紹），搭建外圍硬件電路，采用三電阻法檢測(cè)各項(xiàng)電流，并經(jīng)Clark與Park坐標(biāo)變換方程將三相電流轉(zhuǎn)換到dq軸。控制過(guò)程為：轉(zhuǎn)速信號(hào)指令與電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速相比較，經(jīng)過(guò)速度環(huán)的調(diào)整，輸出電流■q指令信號(hào)，此信號(hào)與檢測(cè)到的電流信號(hào)相比較，經(jīng)電流環(huán)的調(diào)節(jié)，輸出電壓指令信號(hào)ud、uq。再經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換，返回到真實(shí)的ABC坐標(biāo)系下輸出ua、ub、uc，經(jīng)電壓空間矢量PWM調(diào)制后產(chǎn)生接近于正弦波的磁鏈控制永磁同步電機(jī)。PS為轉(zhuǎn)子位置和速度檢測(cè)傳感器，也可以是各種位置估算器，檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置，確定定子電流的相位，使與轉(zhuǎn)子磁鏈正交，產(chǎn)生最大的恒定轉(zhuǎn)矩。

1 FOC控制理論

FOC控制理論框圖如下圖所示，電流讀取三相電流經(jīng)坐標(biāo)變換后，轉(zhuǎn)換到dq軸，與給定的Iq與Id進(jìn)行比較，經(jīng)PID調(diào)解后輸出Vq與Vd，經(jīng)Park反變換得到Va與Vβ，經(jīng)SVPWM計(jì)算，得到三相占空比值，控制三相橋式逆變器實(shí)現(xiàn)FOC控制。

2 無(wú)傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)

2.1 觀測(cè)器理論

根據(jù)控制理論，如果一個(gè)系統(tǒng)能夠完全通過(guò)其檢測(cè)到的輸出值來(lái)重構(gòu)其系統(tǒng)狀態(tài)，則認(rèn)為該系統(tǒng)是可觀測(cè)的;狀態(tài)觀測(cè)器根據(jù)所觀測(cè)系統(tǒng)的輸入及輸出值估計(jì)其內(nèi)部狀態(tài)。

PMSM的馬達(dá)狀態(tài)方程如下：

在計(jì)算轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速的時(shí)候引入鎖相環(huán)（PLL），如圖3所示：

2.2 啟動(dòng)策略與堵轉(zhuǎn)檢測(cè)

由于轉(zhuǎn)子位置估算需要首先知道電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)，而在電機(jī)停轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)速很低的時(shí)候，無(wú)法檢測(cè)到反電動(dòng)勢(shì)，因此電機(jī)需要自啟動(dòng)。自啟動(dòng)過(guò)程中，在定子中加入幅值及頻率都受控的電流。

當(dāng)控制系統(tǒng)檢測(cè)到狀態(tài)觀測(cè)器和PLL都收斂時(shí)，自啟動(dòng)過(guò)程完成，電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行模式。

轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)檢測(cè)是基于統(tǒng)計(jì)理論，因此并不是100%能夠判定成功。當(dāng)反電動(dòng)勢(shì)幅值較低時(shí)，轉(zhuǎn)速測(cè)量誤差變大，這種情況一般發(fā)生在電機(jī)低速時(shí)。

3 結(jié)論

文章分析了基于STM32F1xx系列芯片的電機(jī)庫(kù)函數(shù)的FOC控制算法，總結(jié)如下：

（1）電機(jī)運(yùn)行的最低速度可以達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的5%;

（2）控制算法對(duì)電機(jī)繞組的相電阻變化不敏感;

（3）控制算法對(duì)電機(jī)繞組的相電感變化中度敏感;

（4）FOC算法的執(zhí)行時(shí)間大約為24us;

參考文獻(xiàn)

[1]周曉敏，王長(zhǎng)松，鐘黎萍.基于卡爾曼濾波和高頻信號(hào)注入法的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置自檢測(cè)[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30（7）：815-819.

[2]徐凱.無(wú)速度傳感器矢量控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速辨識(shí)的復(fù)合算法，控制與應(yīng)用技術(shù)，2007.34（10）：18-22.