電機(jī)控制優(yōu)化之PSoC4平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)FOC脈寬調(diào)制解決方案

矢量控制（FOC）是空間矢量脈寬調(diào)制最重要的應(yīng)用之一。矢量控制，又名磁場(chǎng)定向控制，其特點(diǎn)是通過坐標(biāo)變換技術(shù)把交流電機(jī)定子電流分解為轉(zhuǎn)矩和磁通分量，從而實(shí)現(xiàn)像直流電機(jī)一樣的控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和磁通。矢量控制廣泛應(yīng)用于永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）的控制。

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(yùn)算能力高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，常用于FOC控制，但存在著成本較高的缺點(diǎn)。ASIC將FOC固化在芯片內(nèi)部，無需編程，但會(huì)帶來算法無法修改、不夠靈活的缺點(diǎn)。通用MCU種類較多，平臺(tái)復(fù)雜。常用的幾種方案一般至少還需要2個(gè)外部運(yùn)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(nèi)部豐富的數(shù)字及模擬資源及獨(dú)有的可編程特性可實(shí)現(xiàn)高度集成化、低成本的矢量控制。圖1顯示了PSoC4矢量控制（無傳感器）硬件控制框圖。PSoC4內(nèi)部集成四個(gè)獨(dú)立的可支持中央對(duì)齊、互補(bǔ)的可編程死區(qū)及同步ADC操作的TCPWM模塊，可用于SVPWM輸出；一個(gè)支持零開銷通道切換功能的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(yùn)算放大器，可省掉兩個(gè)外部運(yùn)放。豐富的片內(nèi)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(xiàn)高度集成化。

圖1：PSoC4 無傳感器FOC硬件控制框圖。

相對(duì)于其他解決方案，基于PSoC4的無傳感器FOC解決方案具有以下特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

1. 采用高性價(jià)比的Cortex-M0內(nèi)核。Cortex-M0是市場(chǎng)上現(xiàn)有的最小、最節(jié)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(jié)約系統(tǒng)成本。

2. 內(nèi)部集成兩個(gè)支持比較器模式及SAR ADC輸入緩沖功能的運(yùn)算放大器。目前市場(chǎng)大部分解決方案均需外部運(yùn)放完成電流采樣，采用PSoC4可從系統(tǒng)BOM表中移除外部運(yùn)放，減少系統(tǒng)成本。

3. 內(nèi)部集成兩個(gè)低功耗比較器，可用于硬件保護(hù)或錯(cuò)誤信號(hào)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(hù)。PSoC提供了極強(qiáng)的軟件/硬件IP保護(hù)能力，這對(duì)電機(jī)應(yīng)用尤其重要。

6. 靈活的通訊接口。PSoC特殊的可編程架構(gòu)提供了極為靈活的通訊接口，可滿足各種應(yīng)用的需求。

空間矢量脈寬調(diào)制原理

SVPWM是近年發(fā)展的一種比較新穎的調(diào)制方法，是由三相功率逆變器的六個(gè)功率開關(guān)元件組成的特定開關(guān)模式產(chǎn)生的脈寬調(diào)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(jī)的角度出發(fā)的，著眼于如何使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，即正弦磁通， 模型構(gòu)造簡(jiǎn)單，便于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。與傳統(tǒng)電壓正弦PWM相比，該控制方法具有使得電機(jī)轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)， 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(hào)所控制。當(dāng)逆變橋上半部分的功率管與下半部分的功率管為互補(bǔ)關(guān)系，即當(dāng)a為1時(shí)，a’為0。

圖2：三相逆變器結(jié)構(gòu)圖。

從圖3可以看出，開關(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)功率晶體管的開關(guān)狀態(tài)有8種不同的組合，故其輸出的相電壓和線電壓有8種對(duì)應(yīng)的組合。開關(guān)變量矢量［a、b、c］與輸出的線電壓和相電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。

圖3：基本電壓空間矢量。

在（α，β）坐標(biāo)系中，輸出的三相線電壓可以用下面等式表示：

公式1

公式2

由表1可知，功率晶體管的開關(guān)狀態(tài)的組合一共只有8個(gè)，則在（α，β）坐標(biāo)系中的Vsα、Vsβ也有8種組合。Vsα、Vsβ是空間矢量分解得到的子軸分量，它們的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所列。由此可得到8個(gè)基本電壓空間矢量，分別為 U0， U60，U120，U180， U240， U300， 0000和0111。其中0000和0111為零矢量。這六個(gè)非零基本電壓空間矢量將（α，β） 坐標(biāo)平面分為六個(gè)扇區(qū)，如圖3所示。

由8個(gè)基本電壓空間矢量可以合成任意定子電壓矢量。如圖4所示，以U0， U60扇區(qū)為例，若在一個(gè)PWM周期T內(nèi)，同時(shí)輸出T1時(shí)間U0矢量和T2時(shí)間的U60矢量，則由矢量（T1/T）U0，（T2/T）U60可以合成給定的參考電壓矢量Uout。

圖4：由基本電壓空間矢量合成的子電壓矢量。

由圖4可得：

公式3

公式4

因此，

公式5

公式6

可得 T1 ，T2

公式7

公式8

公式9

公式10

由此可知SVPWM實(shí)現(xiàn)步驟：先通過Uout判斷出電壓矢量所在扇區(qū)，再根據(jù)相鄰的電壓矢量及Uout計(jì)算出兩個(gè)基本矢量作用時(shí)間；最后根據(jù)兩個(gè)基本矢量作用時(shí)間計(jì)算出PWM開關(guān)時(shí)間及占空比。

基于PSoC4的設(shè)計(jì)實(shí)例

我們使用TCPWM模塊來實(shí)現(xiàn)SVPWM。TCPWM模塊提供了電機(jī)控制常用的中央對(duì)齊、邊沿對(duì)齊PWM，并可實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的同步功能。支持靈活的死區(qū)控制，并可與ADC同步。TCPWM包括四個(gè)16位的周期長(zhǎng)度用戶可編程的計(jì)數(shù)器，這些計(jì)數(shù)器之間可以進(jìn)行功能同步。每個(gè)模塊包含一個(gè)捕獲寄存器、一個(gè)周期寄存器以及一些比較寄存器。每個(gè)模塊都支持互補(bǔ)的可編程的死區(qū)，還支持一個(gè)關(guān)斷輸入信號(hào)來強(qiáng)迫輸出信號(hào)進(jìn)入預(yù)先設(shè)定的狀態(tài)。

如圖5所示，從PSoC Creator中拖放三個(gè)TCPWM模塊，配置TCPWM的工作模式為中央對(duì)齊，帶死區(qū)的雙路互補(bǔ)輸出模式。三對(duì)PWM輸出可分別作為U、V和W相橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)（如PWM_U_Upper， PWM_U_Lower）。同時(shí)在任一TCPWM模塊的UN事件輸出（下溢信號(hào)，用來指示計(jì)數(shù)器向下計(jì)數(shù)達(dá)到“0”）觸發(fā)PWM中斷（PWM_MainLoop_ISR），用于進(jìn)行FOC計(jì)算并更新占空比。

圖5：三相PWM原理圖。

“PWM_UPDATE”信號(hào)可在UN事件時(shí)觸發(fā)TCPWM的Switch事件，周期和比較寄存器上的值會(huì)自動(dòng)與緩存周期和比較器寄存器的值更換。利用此特性，我們可以在TC事件之前更新緩存寄存器，然后用同一信號(hào)觸發(fā)不同PWM的Switch事件，由此保證各路PWM更新的嚴(yán)格實(shí)時(shí)同步。

圖中的控制寄存器（PWM_Ctrl_Reg）還可以同時(shí)使能或禁止六路PWM輸出。PSoC靈活的可編程特性可輕松實(shí)現(xiàn)了三對(duì)嚴(yán)格同步的互補(bǔ)對(duì)稱PWM及其更新邏輯，這樣可以使工程師將更多的時(shí)間專注于算法層面，提供產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

主控程序首先會(huì)初始化和配置PSoC4的內(nèi)部資源，然后進(jìn)入主循環(huán)。主循環(huán)主要檢測(cè)用戶的起停命令，決定電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；并完成一定的調(diào)試輸出功能。FOC主算法全部在PWM中斷中完成，主要完成坐標(biāo)變換，SVPWM輸出及更新占空比等操作。中斷程序會(huì)人工生成一個(gè)周期性變化的角度，用于電機(jī)開環(huán)運(yùn)行。圖6顯示了主控程序流程圖。

圖6：程序流程圖。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在PSoC Creator環(huán)境下編譯工程，并連接PSoC4開發(fā)板，三相全橋驅(qū)動(dòng)板與PMSM電機(jī)，通電后電機(jī)可正常運(yùn)行，圖7電機(jī)相電流波形。從測(cè)試結(jié)果可以看出，電流波形平滑，正弦度很好。

圖7相電流波形圖。

小結(jié)

上述實(shí)例介紹了如何在PSoC4 平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)空間矢量脈寬調(diào)制。PSoC4針對(duì)電機(jī)控制做出了富有特色的優(yōu)化。憑借片內(nèi)豐富的資源及高度的靈活性，用戶可以輕松設(shè)計(jì)出高度集成化、低成本、性能優(yōu)越的PMSM矢量控制系統(tǒng)，提高產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力。