基于PSoC?4 的PMSM無(wú)傳感器矢量控制

　　摘要：本文介紹了基于Cypress PSoC®4平臺的PMSM無(wú)傳感器FOC解決方案。方案采用改進(jìn)滑?？刂破鬟M(jìn)行位置估算，可有效消除抖振現象;PSoC®4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，無(wú)需外部運放即可完成電流采樣;四個(gè)可支持中央對齊PWM及同步ADC操作TCPWM模塊，可靈活完成三相電機的控制。

　　關(guān)鍵字：PSoC®4，矢量控制，無(wú)傳感器, 滑模觀(guān)測器

　　Abstract: This paper introduces the sensorless FOC solution based on Cypress new product PSoC®4. PSoC4 owns rich on-chip resources which can realize high integrated design. With two internal opamplifiers, PSoC4 can implement two phase currents sensing without external chips; Four TCPWMs which support center-aligned PWM and programmable dead zone can flexibly control three-phase inverter.

　　Keywords: PSoC®4，FOC，Sensorless, Slide Mode Observer, Motor control
　

　　1. 引言

　　永磁同步電動(dòng)機(PMSM)因其體積小、重量輕、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應用于航空、航天、工業(yè)等領(lǐng)域。在PMSM驅動(dòng)系統中, 無(wú)位置傳感器空間矢量控制技術(shù)是一種成本低、可靠性好、維護簡(jiǎn)單的控制策略，避免了安裝傳感器(如旋轉變壓器、編碼盤(pán)等)帶來(lái)的系統體積重量增大、維護難等問(wèn)題，并可適用于一些特殊場(chǎng)合，如空調壓縮機等。PMSM無(wú)位置傳感器空間矢量控制技術(shù)的難點(diǎn)在于轉子位置的估算,近年來(lái)許多學(xué)者對此進(jìn)行了深入的研究,提出了很多方法,如反電動(dòng)勢過(guò)零檢測、高頻注入法、卡爾曼濾波、模型參考自適應法、各種觀(guān)測器法等。在這些方法中,滑模觀(guān)測器由于其魯棒性強、對系統參數變化及外界擾動(dòng)不敏感、易于工程實(shí)現等優(yōu)點(diǎn),在交流調速系統中得到了廣泛的應用。本文將討論基于滑模觀(guān)測器的無(wú)傳感器矢量控制技術(shù)。

　　2. PMSM無(wú)傳感器矢量控制原理

　　狀態(tài)觀(guān)測器的實(shí)質(zhì)就是重構控制系統的狀態(tài)，將原系統中可以直接測量的變量作為新構造系統的輸入信號，并使構造新系統的輸出信號在一定條件下等于原系統的狀態(tài)?；Ｗ兘Y構控制就是根據系統當前的狀態(tài)的不同，反饋控制器的結構按照事先規定的控制法則有目的地、不斷地變化。通過(guò)控制系統結構的不斷變化，最終使得系統的結構以極高的頻率來(lái)回切換，系統的狀態(tài)點(diǎn)做高頻的上下穿越運動(dòng)即滑模運行。由于變結構控制的這種獨特的不連續的控制特點(diǎn)，它對被控對象的數學(xué)模型的精確程度要求不高，尤其是在控制過(guò)程中被控對象參數的變化和外部干擾，這些都不會(huì )對變結構控制的控制精度產(chǎn)生較大的影響，即變結構控制對外界的干擾有很強的魯棒性。

　　變結構控制的基本原理是：在變結構控制中，控制量根據設定的控制法則在u+(x) 或u−(x) 之間切換. 變結構控制就是根據系統當前的狀態(tài)的不同，反饋控制器的結構按照事先規定的控制法則有目的地、不斷地變化，最終使得系統的結構以極高的頻率不停地來(lái)回切換，系統的運動(dòng)點(diǎn)則以極小的幅度和極高的頻率在S(x)=0 上下穿越。這種特殊的狀態(tài)叫做“滑模狀態(tài)”。此時(shí)，這種變結構控制就叫滑模變結構控制。此時(shí)，稱(chēng)S(x)=0 被稱(chēng)作滑模面，S=S(x) 為切換函數。

　　滑模觀(guān)測器設計
等式2減去等式1可得：

　　無(wú)傳感器矢量控制

　　圖1 無(wú)傳感器FOC控制框圖

　　圖1為無(wú)傳感器FOC控制框圖。整個(gè)FOC控制的核心是坐標變換，通過(guò)坐標變換將采樣所得的三相電流轉換成轉矩電流分量i_q和磁通電流分量i_d。通過(guò)PI控制器分別對i_q和i_d進(jìn)行控制，并將i_d的參考值設置為0實(shí)現最大轉矩控制。三相電流采樣重構后經(jīng)過(guò)滑模觀(guān)測器，一方面獲得轉子位置角，用于坐標變換，另一方面可利用角度信息獲取速度信息，用于速度控制。最后通過(guò)FOC SVPWM法對三相逆變器進(jìn)行控制，實(shí)現逆變驅動(dòng)PMSM運行。