Microchip無傳感器永磁同步電機(jī)控制

本文從采用DSC實(shí)現(xiàn)基于FOC的無傳感器PMSM控制開始，主要介紹如何在電器中實(shí)現(xiàn)基于永磁同步電機(jī)（PMSM）的無傳感器FOC控制，以便為電器電機(jī)控制帶來最大的成本效益。

對于無法部署位置或速度傳感器的一些應(yīng)用，無傳感器FOC技術(shù)還可以克服一些由此產(chǎn)生的限制。例如，在一些壓縮機(jī)應(yīng)用中，電機(jī)充滿機(jī)油會對線束布局有一些限制。在電器中采用PMSM電機(jī)時(shí)，由于PMSM電機(jī)轉(zhuǎn)子上的永磁體產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁場是恒定的，所以可以提供極高的效率。此外，電機(jī)的定子磁場通過正弦分布的繞組產(chǎn)生。與感應(yīng)電機(jī)相比，PMSM電機(jī)還具有極高的功率/尺寸比。與直流電機(jī)相同，它們的電氣噪聲也較低，因?yàn)樗鼈儾徊捎秒娝ⅰ?/p> 為什么在電機(jī)控制中采用DSC？

DSC非常適合于洗衣機(jī)之類的電器，因?yàn)樗鼈兙哂嗅槍﹄姍C(jī)控制而定制的外設(shè)，例如脈寬調(diào)制器（PWM）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和正交編碼器接口。在執(zhí)行控制器程序和實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器時(shí)，由于DSC能夠在單周期中執(zhí)行MAC指令和小數(shù)運(yùn)算，所以可以幫助設(shè)計(jì)人員優(yōu)化代碼的執(zhí)行。此外，對于需要飽和功能的運(yùn)算，DSC提供了硬件飽和保護(hù)功能，可幫助設(shè)計(jì)人員避免發(fā)生溢出。

DSC 需要快速靈活的ADC來進(jìn)行電流檢測，這是電機(jī)控制中的一項(xiàng)關(guān)鍵功能。Microchip dsPIC DSC系列提供了這樣的ADC，能夠以1Msps的速率轉(zhuǎn)換輸入采樣，可同時(shí)處理最多4路輸入。這些ADC具有多種觸發(fā)選項(xiàng)，支持采用低成本的電流檢測電阻來測量電機(jī)相繞組電流。例如，可以通過PWM模塊觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換，從而支持低成本的電流檢測電路。在特定的時(shí)間，開關(guān)晶體管允許電流流入檢測電阻，可在此時(shí)對輸入進(jìn)行檢測。

本文討論的FOC電機(jī)控制固件基于 Microchip的dsPICDEM MC1電機(jī)控制開發(fā)板。FOC算法采用Microchip的數(shù)據(jù)監(jiān)視與控制界面（DMCI）工具進(jìn)行測試和調(diào)試，該工具是MPLAB集成開發(fā)環(huán)境 （IDE）的一個(gè)模塊。DMCI工具提供了快速的動態(tài)IDE，讓設(shè)計(jì)人員可以用圖形方式來表示應(yīng)用反饋。例如，在DMCI的IDE中，程序符號（變量）可以動態(tài)地分配給滾動條、直接輸入或布爾控件的任意組合，而IDE提供了對于這些符號（變量）的項(xiàng)目知悉導(dǎo)航功能。通過這些控件，用戶可以在DMCI IDE中交互式地更改程序變量的值。此外，用戶還可以動態(tài)地配置圖形，以查看程序生成的數(shù)據(jù)。

在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖（圖1）中，可以看到電機(jī)軸上沒有安裝位置傳感器，但電機(jī)上采用了一些傳感器來測量電流。這些傳感器的電感電阻較低，它們屬于逆變器功能模塊的一部分。這里采用一個(gè)三相逆變器作為功率級，用來驅(qū)動電機(jī)繞組（圖2）。

圖1：USB界面專用充電器。

圖2：三相逆變器驅(qū)動PMSM繞組。

FOC（或矢量控制）算法的簡要步驟

以下總結(jié)了控制PMSM的FOC算法步驟。

1.先測量三相定子電流ia和ib。根據(jù)ia+ib+ic=0，計(jì)算來自兩個(gè)電流傳感器的電流。

2.將三相電流轉(zhuǎn)換到2軸坐標(biāo)系中。該轉(zhuǎn)換根據(jù)測量的ia、ib和ic值得到變量iα和iβ。從定子的角度來說，iα和iβ是時(shí)變正交電流值。該步驟稱為Park變換。

3.采用控制循環(huán)上一次迭代時(shí)計(jì)算的變換角旋轉(zhuǎn)2軸坐標(biāo)系，使之與轉(zhuǎn)子磁通對齊。該轉(zhuǎn)換根據(jù)iα和iβ得到變量id和iq。現(xiàn)在，將正交電流id和iq變換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中。在穩(wěn)態(tài)條件下，id和iq將保持恒定。該步驟稱為Clarke變換。