基于PSoC4的空間矢量脈寬調制方案
目前市場(chǎng)上較為常用的FOC方案會(huì )采用DSP、ASIC或通用MCU進(jìn)行控制。DSP運算能力高,實(shí)時(shí)性強,常用于FOC控制,但存在著(zhù)成本較高的缺點(diǎn)。ASIC將FOC固化在芯片內部,無(wú)需編程,但會(huì )帶來(lái)算法無(wú)法修改、不夠靈活的缺點(diǎn)。通用MCU種類(lèi)較多,平臺復雜。常用的幾種方案一般至少還需要2個(gè)外部運放完成電流采樣。
另外還有一種基于PSoC4的方案,該方案利用PSoC4內部豐富的數字及模擬資源及獨有的可編程特性可實(shí)現高度集成化、低成本的矢量控制。圖1顯示了PSoC4矢量控制(無(wú)傳感器)硬件控制框圖。PSoC4內部集成四個(gè)獨立的可支持中央對齊、互補的可編程死區及同步ADC操作的TCPWM模塊,可用于SVPWM輸出;一個(gè)支持零開(kāi)銷(xiāo)通道切換功能的12位1Msps ADC,用于電流采樣;兩個(gè)支持比較器模式及SAR ADC輸入緩沖功能的運算放大器,可省掉兩個(gè)外部運放。豐富的片內資源可將矢量控制主控電路所需芯片集成到一片芯片中,實(shí)現高度集成化。

圖1:PSoC4 無(wú)傳感器FOC硬件控制框圖。
相對于其他解決方案,基于PSoC4的無(wú)傳感器FOC解決方案具有以下特點(diǎn)優(yōu)勢:
1. 采用高性?xún)r(jià)比的Cortex-M0內核。Cortex-M0是市場(chǎng)上現有的最小、最節能的ARM處理器,代碼占用空間小,能以8位處理器的價(jià)格獲得32位處理器的性能,可明顯節約系統成本。
2. 內部集成兩個(gè)支持比較器模式及SAR ADC輸入緩沖功能的運算放大器。目前市場(chǎng)大部分解決方案均需外部運放完成電流采樣,采用PSoC4可從系統BOM表中移除外部運放,減少系統成本。
3. 內部集成兩個(gè)低功耗比較器,可用于硬件保護或錯誤信號處理。市場(chǎng)常用解決方案大部分采用外部比較器完成此功能。采用PSoC4可進(jìn)一步減少BOM,降低成本。
4. 減少PCB空間及BOM成本。
5. 固件IP保護。PSoC提供了極強的軟件/硬件IP保護能力,這對電機應用尤其重要。
6. 靈活的通訊接口。PSoC特殊的可編程架構提供了極為靈活的通訊接口,可滿(mǎn)足各種應用的需求。
空間矢量脈寬調制原理
SVPWM是近年發(fā)展的一種比較新穎的調制方法,是由三相功率逆變器的六個(gè)功率開(kāi)關(guān)元件組成的特定開(kāi)關(guān)模式產(chǎn)生的脈寬調制波,能夠使輸出電流波形盡可能接近于理想的正弦波形。與電壓正弦PWM不同, SVPWM法是從電機的角度出發(fā)的,著(zhù)眼于如何使電機獲得幅值恒定的圓形旋轉磁場(chǎng),即正弦磁通, 模型構造簡(jiǎn)單,便于數字化實(shí)現。與傳統電壓正弦PWM相比,該控制方法具有使得電機轉矩脈動(dòng)降低、電流波形畸變減小、直流電壓利用率提高的優(yōu)點(diǎn)。
圖2是一種典型的三相逆變器的結構, Va, Vb,Vc是逆變器的電壓輸出,Q1到Q6是6個(gè)功率晶體管,它們分別被a,a’,b,b’,c,c’這6個(gè)控制信號所控制。當逆變橋上半部分的功率管與下半部分的功率管為互補關(guān)系,即當a為1時(shí),a’為0。

圖2:三相逆變器結構圖。
從圖3可以看出,開(kāi)關(guān)變量矢量[a,b,c]有8個(gè)不同的組合值,即逆變橋上半部分的3個(gè)功率晶體管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)有8種不同的組合,故其輸出的相電壓和線(xiàn)電壓有8種對應的組合。開(kāi)關(guān)變量矢量[a、b、c]與輸出的線(xiàn)電壓和相電壓的對應關(guān)系見(jiàn)表1。
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