采用8位微控制器實(shí)現(xiàn)無傳感器磁場(chǎng)定向控制

作者：Arno Rabenstein（英飛凌科技股份公司　高級(jí)應(yīng)用工程師）

導(dǎo)言

　　由于具有更高的效率、更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及更小的扭矩波動(dòng)，磁場(chǎng)定向控制（FOC）正越來越多地被應(yīng)用于消費(fèi)和工業(yè)電機(jī)中。采用英飛凌8位微控制器XC886和XC888實(shí)現(xiàn)無傳感器FOC技術(shù)（當(dāng)輸出15kHz PWM載頻和133µs電流控制響應(yīng)時(shí)間時(shí)）只需要占用58%的CPU負(fù)荷，就足以滿足特定功能應(yīng)用的需求。經(jīng)過高度優(yōu)化的PWM單元CAPCOM6E能觸發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換器來測(cè)量單直流母線電阻上的電流，為能在標(biāo)準(zhǔn)的8位微控制器上實(shí)現(xiàn)無傳感器FOC創(chuàng)造了條件。16位無傳感器FOC算法僅由片上內(nèi)嵌的協(xié)處理器MDU和CORDIC（矢量計(jì)算機(jī)）以及8051兼容CPU的聯(lián)合應(yīng)用就可以實(shí)現(xiàn)。MDU是一個(gè)16位乘法和除法單元，CORDIC是一個(gè)專用于矢量旋轉(zhuǎn)和角度計(jì)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(xiàn)的無傳感器磁場(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(shù)采用硬編碼方式實(shí)現(xiàn)的其它類型的FOC不同，基于XC886/8微控制器的解決方案具有軟件重復(fù)編程能力所帶來的附加優(yōu)勢(shì)，能向用戶提供靈活多變的應(yīng)用選擇。

無傳感器的磁場(chǎng)定向控制

　　磁場(chǎng)定向控制算法需要轉(zhuǎn)子位置的信息。轉(zhuǎn)子位置可以通過諸如編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器等位置傳感器來獲得。另一種更省成本的方法是用于無刷直流電機(jī)（BLDC）的無傳感器FOC。這一方法是基于轉(zhuǎn)子永磁體與定子磁場(chǎng)的相互作用而實(shí)現(xiàn)的。
　　為了確定轉(zhuǎn)子的實(shí)際角度，能通過對(duì)特定的電壓積分來得到磁通量矢量>Psi<。
　
　　基于特定微分方程的電壓模型只是旋轉(zhuǎn)場(chǎng)電機(jī)的一個(gè)簡單模型。定子的電流矢量i_s需要相電流的精確測(cè)量。用一個(gè)截止頻率很低的低通濾波器來代替電流矢量能簡化積分。
　　在標(biāo)準(zhǔn)8位微控制器上實(shí)現(xiàn)的無傳感器磁場(chǎng)定向控制（FOC）能以最小的系統(tǒng)代價(jià)獲得正弦換向的全部優(yōu)勢(shì)。當(dāng)在直流環(huán)節(jié)中只使用單個(gè)電阻采樣來獲取相電流時(shí)，對(duì)快速精確的模數(shù)轉(zhuǎn)換有很苛刻的要求。相電流必須在直流母線電流信號(hào)（三相空間矢量脈沖寬度調(diào)制的響應(yīng)）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。三相空間矢量由一個(gè)可以被分割成六部分的六邊形來表示。電壓空間中的任何一條矢量都包含來自其中一相的“實(shí)”電壓和來自另外兩相的“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。參見圖[>>SVPWM.emf <<]中的實(shí)例。第一個(gè)有效狀態(tài)（b&f）的時(shí)間為TU，第二個(gè)有效狀態(tài)的時(shí)間（c&e）為T-W，無效狀態(tài)的時(shí)間為T0 ，其會(huì)出現(xiàn)兩次，第一次出現(xiàn)在（000）矢量位置（a&f），第二次出現(xiàn)在（111）矢量位置（d）。
　　為了在直流母線電流外重建相電流，必須在有效狀態(tài)期間觸發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)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(jié)上就只有一路相電流被測(cè)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(xiàn)這一情況。因此必須采用空間矢量脈沖寬度調(diào)制來消除六邊形的交角。交角的消除會(huì)導(dǎo)致輸出信號(hào)中出現(xiàn)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(duì)永磁同步電機(jī)（PMSM）進(jìn)行速度控制的無傳感器FOC的框圖。為了通過單個(gè)直流母線電阻的測(cè)量來估計(jì)轉(zhuǎn)子的位置，用來測(cè)量電流的PWM模式生成和模數(shù)轉(zhuǎn)換器觸發(fā)必須十分迅速準(zhǔn)確。觸發(fā)點(diǎn)中的任何抖動(dòng)都將影響對(duì)于轉(zhuǎn)子實(shí)際角度的估計(jì)。從而增加正弦電流信號(hào)的總諧波失真。

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　　XC886/888C（L）M采用從PWM單元CapCom6E向模數(shù)轉(zhuǎn)換器發(fā)出的基于事件的硬件觸發(fā)來實(shí)現(xiàn)上述要求。圖[>>CAPCOM6E.emf<<]中第二個(gè)PWM周期中的綠色閃電狀符號(hào)代表直接觸發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)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(zhǔn)確的電流測(cè)量創(chuàng)造條件。在信號(hào)采樣完成后，由于被采樣的電壓在內(nèi)部被存儲(chǔ)，因此轉(zhuǎn)換狀態(tài)不再需要在輸入端有一個(gè)正確的信號(hào)。轉(zhuǎn)換完成后，結(jié)果被存儲(chǔ)到四個(gè)結(jié)果寄存器之一。兩個(gè)結(jié)果寄存器被用來保存適當(dāng)?shù)闹绷髂妇€電流值IDClink。ADC的采樣時(shí)間僅為250ns。當(dāng)在圖[>>SVPWM.emf <<]中的時(shí)間間隙（b）和（e）中對(duì)電流進(jìn)行測(cè)量時(shí)，總是會(huì)有足夠的時(shí)間來進(jìn)行轉(zhuǎn)換的。
　　觸發(fā)時(shí)刻可以由CAPCOM6E單元的比較和周期值來進(jìn)行調(diào)整。有兩個(gè)能互相同步的定時(shí)器。定時(shí)器T12用來產(chǎn)生空間矢量脈沖寬度調(diào)制的波形。器件中采用影像寄存器來存儲(chǔ)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，用來觸發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換器。調(diào)節(jié)比較值和周期值，使電流在有效狀態(tài)的中間時(shí)刻被測(cè)量。同時(shí)采用兩個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的通道來對(duì)被放大的采樣電阻上的信號(hào)進(jìn)行采樣。得到的結(jié)果被存儲(chǔ)在兩個(gè)不同的結(jié)果寄存器中。這樣FOC計(jì)算就能直接讀取結(jié)果寄存器，而不用擔(dān)心能否及時(shí)觸發(fā)測(cè)量操作。

磁場(chǎng)定向控制的計(jì)算

　　從控制的觀點(diǎn)來看，磁場(chǎng)定向控制與直流電機(jī)的控制原理類似。基本概念是級(jí)聯(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(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)。因此，在定子中測(cè)得的電流（Iα 和Iβ）必須被轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系中（Id和Iq）。電流控制器在旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中由PI控制器實(shí)現(xiàn)，能對(duì)場(chǎng)激勵(lì)產(chǎn)生的d分量和由扭矩激勵(lì)產(chǎn)生的q分量分別進(jìn)行控制。和直流電機(jī)中的情況一樣，速度控制器能調(diào)節(jié)扭矩激勵(lì)電流Iq的參考值。由于轉(zhuǎn)子是永磁體，因此場(chǎng)激勵(lì)電流的參考值Id被設(shè)置成零。
　　電流控制器的輸出代表轉(zhuǎn)子坐標(biāo)中的參考電壓（Vd和 Vq）。為了計(jì)算出極坐標(biāo)（模和輻角），這些值必須被轉(zhuǎn)換到定子的坐標(biāo)系中（Vα和Vβ）。采用空間矢量脈沖寬度調(diào)制，通過調(diào)制相應(yīng)功率逆變器的高邊和低邊開關(guān)，就能將模和輻角轉(zhuǎn)換成三相電流的形式。
　　所有計(jì)算都在定時(shí)器T12周期匹配時(shí)被調(diào)用的中斷服務(wù)程序中逐步執(zhí)行。計(jì)算執(zhí)行所需的時(shí)間比一個(gè)PWM周期要長。結(jié)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(jì)算一次。

FOC驅(qū)動(dòng)應(yīng)用套件：CANmotion

　　FOC 驅(qū)動(dòng)應(yīng)用套件可為客戶對(duì)采用FOC技術(shù)的永磁同步電機(jī)（PMSM）控制設(shè)備的評(píng)估和開發(fā)提供經(jīng)濟(jì)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(píng)估板。完整的無傳感器FOC源代碼配合全面的文檔，使用戶能立即進(jìn)行FOC開發(fā)。
　　套件中還提供了再次采用XC886CM建立的CAN到USB的接口，來進(jìn)行16位代碼的下載和參數(shù)調(diào)節(jié)。基于CAN報(bào)文的用戶界面使用戶能夠設(shè)置并修改所有用于速度和電流控制的電機(jī)控制參數(shù)。獨(dú)特的基于CAN的監(jiān)控技術(shù)能為電機(jī)控制應(yīng)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(yù)編譯演示板可提供輕松評(píng)估FOC算法和測(cè)量其性能的平臺(tái)。完整的開發(fā)環(huán)境包括一套免費(fèi)的工具鏈，能使用戶預(yù)先進(jìn)入應(yīng)用開發(fā)的下一個(gè)環(huán)節(jié)，并使用相同的應(yīng)用套件進(jìn)行定制。
　　欲獲取關(guān)于英飛凌無傳感器FOC算法和FOC驅(qū)動(dòng)應(yīng)用套件的詳細(xì)信息，敬請(qǐng)?jiān)L問：http://www.infineon.com/XC800-FOC。

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網(wǎng)絡(luò)鏈接：

　　FOC驅(qū)動(dòng)應(yīng)用套件  http://www.infineon.com/XC800-FOC
　　8位微控制器XC800         http://www.infineon.com/XC800
　　XC886的數(shù)據(jù)表和用戶指南 http://www.infineon.com/XC886
　　XC888的數(shù)據(jù)表和用戶指南 http://www.infineon.com/XC888

方框

　　支持無傳感器磁場(chǎng)定向控制功能的XC886和XC888的主要特性：
　　• 高性能16位矢量計(jì)算機(jī)（CORDIC+MDU）
　　　　o　　諸如派克變換等矢量旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)換
　　　　o　　歸一化和定標(biāo)
　　　　o　　基于中斷的操作帶來最小的CPU負(fù)載
　　• 用于高級(jí)電機(jī)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(fèi)最小的死區(qū)時(shí)間控制（MOSFET/IGBT的直接控制）
　　　　o　　CTRAP提供硬件過載保護(hù)
　　• 快速10位模數(shù)轉(zhuǎn)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(fù)荷
　　　　o　　使用四個(gè)結(jié)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)直流母線電阻電流的測(cè)量
　　　　o　　快速ADC能通過減小無傳感器FOC中的盲角來降低扭矩波動(dòng)
 [圖 >>XC886_Blockdiagram.emf<<]

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

>>SVPWM.emf <<
副標(biāo)題：空間矢量脈沖寬度調(diào)制：三相逆變器輸出信號(hào)與直流母線電流I_Dclink

>>CAPCOM6E.emf<<
副標(biāo)題：空間矢量脈沖寬度調(diào)制和模數(shù)轉(zhuǎn)換器觸發(fā)的時(shí)序圖

>>FOC_Implementation.emf <<
副標(biāo)題：PMSM電機(jī)的無傳感器磁場(chǎng)定向控制

>>XC886_Blockdiagram.emf<<
副標(biāo)題：帶有矢量計(jì)算機(jī)的8位微控制器XC886/888的框圖