采用8位微控制器實(shí)現無(wú)傳感器磁場(chǎng)定向控制

作者：Arno Rabenstein（英飛凌科技股份公司　高級應用工程師）

導言

　　由于具有更高的效率、更好的動(dòng)態(tài)響應以及更小的扭矩波動(dòng)，磁場(chǎng)定向控制（FOC）正越來(lái)越多地被應用于消費和工業(yè)電機中。采用英飛凌8位微控制器XC886和XC888實(shí)現無(wú)傳感器FOC技術(shù)（當輸出15kHz PWM載頻和133µs電流控制響應時(shí)間時(shí)）只需要占用58%的CPU負荷，就足以滿(mǎn)足特定功能應用的需求。經(jīng)過(guò)高度優(yōu)化的PWM單元CAPCOM6E能觸發(fā)模數轉換器來(lái)測量單直流母線(xiàn)電阻上的電流，為能在標準的8位微控制器上實(shí)現無(wú)傳感器FOC創(chuàng )造了條件。16位無(wú)傳感器FOC算法僅由片上內嵌的協(xié)處理器MDU和CORDIC（矢量計算機）以及8051兼容CPU的聯(lián)合應用就可以實(shí)現。MDU是一個(gè)16位乘法和除法單元，CORDIC是一個(gè)專(zhuān)用于矢量旋轉和角度計算的16位協(xié)處理器。
　　在英飛凌8位微控制器XC886和XC888上實(shí)現的無(wú)傳感器磁場(chǎng)定向控制，能為電器制造商所面臨的能耗要求和定價(jià)壓力提供完美的解決方案。和大多數采用硬編碼方式實(shí)現的其它類(lèi)型的FOC不同，基于XC886/8微控制器的解決方案具有軟件重復編程能力所帶來(lái)的附加優(yōu)勢，能向用戶(hù)提供靈活多變的應用選擇。

無(wú)傳感器的磁場(chǎng)定向控制

　　磁場(chǎng)定向控制算法需要轉子位置的信息。轉子位置可以通過(guò)諸如編碼器或旋轉變壓器等位置傳感器來(lái)獲得。另一種更省成本的方法是用于無(wú)刷直流電機（BLDC）的無(wú)傳感器FOC。這一方法是基于轉子永磁體與定子磁場(chǎng)的相互作用而實(shí)現的。
　　為了確定轉子的實(shí)際角度，能通過(guò)對特定的電壓積分來(lái)得到磁通量矢量>Psi<。
　
　　基于特定微分方程的電壓模型只是旋轉場(chǎng)電機的一個(gè)簡(jiǎn)單模型。定子的電流矢量i_s需要相電流的精確測量。用一個(gè)截止頻率很低的低通濾波器來(lái)代替電流矢量能簡(jiǎn)化積分。
　　在標準8位微控制器上實(shí)現的無(wú)傳感器磁場(chǎng)定向控制（FOC）能以最小的系統代價(jià)獲得正弦換向的全部?jì)?yōu)勢。當在直流環(huán)節中只使用單個(gè)電阻采樣來(lái)獲取相電流時(shí)，對快速精確的模數轉換有很苛刻的要求。相電流必須在直流母線(xiàn)電流信號（三相空間矢量脈沖寬度調制的響應）外被重建。
　　空間矢量是一條中心點(diǎn)能在空間中“浮動(dòng)”的正弦曲線(xiàn)。三相空間矢量由一個(gè)可以被分割成六部分的六邊形來(lái)表示。電壓空間中的任何一條矢量都包含來(lái)自其中一相的“實(shí)”電壓和來(lái)自另外兩相的“虛”直角電壓?？臻g矢量算法將確定處于第一、第二個(gè)有效狀態(tài)以及無(wú)效狀態(tài)的時(shí)間，從而得到所需的空間矢量的幅度和角度。參見(jiàn)圖[>>SVPWM.emf <<]中的實(shí)例。第一個(gè)有效狀態(tài)（b&f）的時(shí)間為T(mén)U，第二個(gè)有效狀態(tài)的時(shí)間（c&e）為T(mén)-W，無(wú)效狀態(tài)的時(shí)間為T(mén)0 ，其會(huì )出現兩次，第一次出現在（000）矢量位置（a&f），第二次出現在（111）矢量位置（d）。
　　為了在直流母線(xiàn)電流外重建相電流，必須在有效狀態(tài)期間觸發(fā)模數轉換器。完美的正弦換向要求空間矢量也能精確地指向六邊形的交角處。這樣在直流環(huán)節上就只有一路相電流被測量，并且也只有一路相電流被重建。但是FOC算法本身不允許出現這一情況。因此必須采用空間矢量脈沖寬度調制來(lái)消除六邊形的交角。交角的消除會(huì )導致輸出信號中出現一些紋波，必須盡可能地減小這些紋波。

實(shí)際值的獲取

　　圖[>>FOC_Implementation.emf<<]顯示了帶有對永磁同步電機（PMSM）進(jìn)行速度控制的無(wú)傳感器FOC的框圖。為了通過(guò)單個(gè)直流母線(xiàn)電阻的測量來(lái)估計轉子的位置，用來(lái)測量電流的PWM模式生成和模數轉換器觸發(fā)必須十分迅速準確。觸發(fā)點(diǎn)中的任何抖動(dòng)都將影響對于轉子實(shí)際角度的估計。從而增加正弦電流信號的總諧波失真。

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　　XC886/888C（L）M采用從PWM單元CapCom6E向模數轉換器發(fā)出的基于事件的硬件觸發(fā)來(lái)實(shí)現上述要求。圖[>>CAPCOM6E.emf<<]中第二個(gè)PWM周期中的綠色閃電狀符號代表直接觸發(fā)模數轉換器進(jìn)行采樣的硬件事件?；谑录挠|發(fā)器能消除任何中斷延遲，為快速準確的電流測量創(chuàng )造條件。在信號采樣完成后，由于被采樣的電壓在內部被存儲，因此轉換狀態(tài)不再需要在輸入端有一個(gè)正確的信號。轉換完成后，結果被存儲到四個(gè)結果寄存器之一。兩個(gè)結果寄存器被用來(lái)保存適當的直流母線(xiàn)電流值IDClink。ADC的采樣時(shí)間僅為250ns。當在圖[>>SVPWM.emf <<]中的時(shí)間間隙（b）和（e）中對電流進(jìn)行測量時(shí)，總是會(huì )有足夠的時(shí)間來(lái)進(jìn)行轉換的。
　　觸發(fā)時(shí)刻可以由CAPCOM6E單元的比較和周期值來(lái)進(jìn)行調整。有兩個(gè)能互相同步的定時(shí)器。定時(shí)器T12用來(lái)產(chǎn)生空間矢量脈沖寬度調制的波形。器件中采用影像寄存器來(lái)存儲比較值，從而確保操作不受脈沖毛刺的影響。定時(shí)器T13在啟動(dòng)時(shí)就被同步到與定時(shí)器T12匹配的周期上，用來(lái)觸發(fā)模數轉換器。調節比較值和周期值，使電流在有效狀態(tài)的中間時(shí)刻被測量。同時(shí)采用兩個(gè)模數轉換器的通道來(lái)對被放大的采樣電阻上的信號進(jìn)行采樣。得到的結果被存儲在兩個(gè)不同的結果寄存器中。這樣FOC計算就能直接讀取結果寄存器，而不用擔心能否及時(shí)觸發(fā)測量操作。

磁場(chǎng)定向控制的計算

　　從控制的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，磁場(chǎng)定向控制與直流電機的控制原理類(lèi)似?；靖拍钍羌壜?lián)控制，但關(guān)鍵的不同之處在于電氣變量（Vd, Id, Vq和Iq）隨轉子一起旋轉。因此，在定子中測得的電流（Iα 和Iβ）必須被轉換到轉子坐標系中（Id和Iq）。電流控制器在旋轉系統中由PI控制器實(shí)現，能對場(chǎng)激勵產(chǎn)生的d分量和由扭矩激勵產(chǎn)生的q分量分別進(jìn)行控制。和直流電機中的情況一樣，速度控制器能調節扭矩激勵電流Iq的參考值。由于轉子是永磁體，因此場(chǎng)激勵電流的參考值Id被設置成零。
　　電流控制器的輸出代表轉子坐標中的參考電壓（Vd和 Vq）。為了計算出極坐標（模和輻角），這些值必須被轉換到定子的坐標系中（Vα和Vβ）。采用空間矢量脈沖寬度調制，通過(guò)調制相應功率逆變器的高邊和低邊開(kāi)關(guān)，就能將模和輻角轉換成三相電流的形式。
　　所有計算都在定時(shí)器T12周期匹配時(shí)被調用的中斷服務(wù)程序中逐步執行。計算執行所需的時(shí)間比一個(gè)PWM周期要長(cháng)。結果，控制環(huán)路時(shí)間必須為PWM周期的兩倍，即在20KHz的PWM頻率下，控制環(huán)路每100µs被計算一次。

FOC驅動(dòng)應用套件：CANmotion

　　FOC 驅動(dòng)應用套件可為客戶(hù)對采用FOC技術(shù)的永磁同步電機（PMSM）控制設備的評估和開(kāi)發(fā)提供經(jīng)濟高效的方法。
該套件的特色之一是帶有集成XC886CM MCU （TQFP-48）和3相逆變器（具有控制24V BLDC所需全部功能）的評估板。完整的無(wú)傳感器FOC源代碼配合全面的文檔，使用戶(hù)能立即進(jìn)行FOC開(kāi)發(fā)。
　　套件中還提供了再次采用XC886CM建立的CAN到USB的接口，來(lái)進(jìn)行16位代碼的下載和參數調節?；贑AN報文的用戶(hù)界面使用戶(hù)能夠設置并修改所有用于速度和電流控制的電機控制參數。獨特的基于CAN的監控技術(shù)能為電機控制應用提供實(shí)時(shí)控制。24V BLDC和插入式電源使該套件能隨時(shí)被使用。
　　預編譯演示板可提供輕松評估FOC算法和測量其性能的平臺。完整的開(kāi)發(fā)環(huán)境包括一套免費的工具鏈，能使用戶(hù)預先進(jìn)入應用開(kāi)發(fā)的下一個(gè)環(huán)節，并使用相同的應用套件進(jìn)行定制。
　　欲獲取關(guān)于英飛凌無(wú)傳感器FOC算法和FOC驅動(dòng)應用套件的詳細信息，敬請訪(fǎng)問(wèn)：http://www.infineon.com/XC800-FOC。

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網(wǎng)絡(luò )鏈接：

　　FOC驅動(dòng)應用套件  http://www.infineon.com/XC800-FOC
　　8位微控制器XC800         http://www.infineon.com/XC800
　　XC886的數據表和用戶(hù)指南 http://www.infineon.com/XC886
　　XC888的數據表和用戶(hù)指南 http://www.infineon.com/XC888

方框

　　支持無(wú)傳感器磁場(chǎng)定向控制功能的XC886和XC888的主要特性：
　　• 高性能16位矢量計算機（CORDIC+MDU）
　　　　o　　諸如派克變換等矢量旋轉和轉換
　　　　o　　歸一化和定標
　　　　o　　基于中斷的操作帶來(lái)最小的CPU負載
　　• 用于高級電機控制的PWM單元（CapCom6E）
　　　　o　　用于產(chǎn)生高精度空間矢量PWM的16位分辨率
　　　　o　　硬件耗費最小的死區時(shí)間控制（MOSFET/IGBT的直接控制）
　　　　o　　CTRAP提供硬件過(guò)載保護
　　• 快速10位模數轉換器（0.25 µs的采樣時(shí)間）
　　　　o　　與PWM單元的硬件同步減小了CPU負荷
　　　　o　　使用四個(gè)結果寄存器中的兩個(gè)以獲取最佳的采樣性能
　　　　o　　能進(jìn)行單個(gè)直流母線(xiàn)電阻電流的測量
　　　　o　　快速ADC能通過(guò)減小無(wú)傳感器FOC中的盲角來(lái)降低扭矩波動(dòng)
 [圖 >>XC886_Blockdiagram.emf<<]

作者：
Arno Rabenstein，物理學(xué)家，英飛凌科技股份公司應用工程師，從事對具有8位和16位微控制器的電機控制系統中微控制器的研究工作，對英飛凌的通信產(chǎn)品、汽車(chē)動(dòng)力產(chǎn)品和微控制器具有長(cháng)達8年的研究經(jīng)驗。
聯(lián)系方式：
電子郵件： Arno.Rabenstein@infineon.com
電話(huà)： +49 89/234-21370
傳真： +49 89/234-955 0631
 
圖：

>>SVPWM.emf <<
副標題：空間矢量脈沖寬度調制：三相逆變器輸出信號與直流母線(xiàn)電流I_Dclink

>>CAPCOM6E.emf<<
副標題：空間矢量脈沖寬度調制和模數轉換器觸發(fā)的時(shí)序圖

>>FOC_Implementation.emf <<
副標題：PMSM電機的無(wú)傳感器磁場(chǎng)定向控制

>>XC886_Blockdiagram.emf<<
副標題：帶有矢量計算機的8位微控制器XC886/888的框圖