0MiotouhipAN 4078PMSM的无传感器磁场定向控制 2010 Microchip Technology Inc.DS01078B_CN 第 # 页 2010 Microchip Technology Inc.DS01078B_CN 第 # 页作者:Jorge Zambada 和 Debraj DebMicrochip Technology Inc.简介设计音根据对环境的盂求.冷型能不断开抓高级电机控 制技术用以制逍节能空调、洗衣机和让他家用电SS 品.到II询为止.较为完善的电机控制解决方案通常仅 用作专门用途然而.新一代数字信号控制器(Digital Signal Controller, DSC)的出现使得性价比高的高级电 机控制算法最终成为现实。例如.空调需要能够对温度作H1快速响应以迅速改变电 机的转速.因此.我们需耍高级电机控制算法.以制造 出更加节能的静音设备.在这种惰况匸磁场定向控制 (Field Oriented Control. FOC)脱颖而出.成为满足 这些环境希求的主要方法.本咸用笔记讨论了使用Microchip dsPIC DSC系列对 永磁同步电机(Permanent M agnet Synchronous Motor, PMSM)进行无传感器FOC的算法。为什么使用FOC算法？BLDC电机的传统控制方法是以一个六步的控制过程来 驱动定了.而这种控制过程会使生成的转矩产生振荡。 在八控制过程中.给 时绕组iffl电宜到转子达到 位胃然后电机换和到卜步椎尔传感黔用于确定转 子的位以采用电子方式给电机换相高级的无传感 器知法使用在定了绕纽中产生的反电动势來确定转了位 逊。六步控制(也称为梯形控制)的动态响应并不适用丁洗 衣机,这是因为在洗涤过程中负载始终处丁动态变化 中.并融实际洗涤虽和选定的洗涤模式不同而变化。而 山对】啲开式洗衣机.当负载位丁滚筒的顶部时.必 须克服帀力对电机负取作功。只冇使用高级的算法如 FOC才可处理这些 负载变化.本应用笔记着重丁适用于电夥的基FPMSM的无传感器 FOC控制，这是冈为该控制技术在电器的电机控制方向 右着无可比拟的成本优势。无传感器FOC技术也克服 了在某些应用上的限制.UP III T电机被淹或英线束放代 位代的限制等问题而无法部艸位W或速度传感器。山 JPMSM使用了山转子上的永峨体所产生的恒定转子俺 场.因此它尤其适用于电器产品。此外其定子磁场是 由止弦分布的绕组产生的.与協应电机相比，PMSM在 其尺寸上典仃无可比拟的优势。111 丁使用了无刷技术. 这种电机的电噪音也比宜流电机小。为什么使用数字信号控制器来进行电机控 制？dsPIC DSC尤其适用丁类似于洗衣机和空调压缩机之 类的电器因为数字信号控制器尺冇下列特别适用丁电 机控制的外设：脉宽调制(PulseWidth Modulation. PWM )模数转换器(Analog-to-Digital Converter.ADC)正交编码器接I (Quadrature Encoder Interface. QEI)A执行控制器程序以及实现数宁滤波器时由于MAC 描令和小J博可在一个周期内执行，因此dsPICDSC1允许设让者对代码辺彳J优化同时対J：那些需耍 ttl和功能的运算.dsPICDSC器件通过提供破件饱和保 护以避免溢出dsPIC DSC需耍快速H灵活的模数(A/D)转换來检测 电流电机控制中的关键功能。dsPIC DSC器件特有 的ADC可以1 Msps的速率转换采样输入，并可最多同 时处理四路输入。ADC上的女触发选项可允许使用廉 价的电流检测电阻来测虽绕组电流。例如,使用PWM 模块触发A/D转换可允许廉价的电流检测电路在指定时 何内对输入进行检测(开关晶体管使电流流过检测电 B1). 2010 Microchip Technology Inc.DS01078B_CN 第 # 页 2010 Microchip Technology Inc.DS01078B_CN 第 # 页 2010 Microchip Technology Inc.DS01078B_CN 第 # 页AN107永磁同步电机使用数字信号控制器进行电机控制dsPIC DSC电机控制系列是针对最常用的电机而设计 的，包括： 交流感应电机(AC Induction Motor. ACIM)直流有刷电机(Brushed DC Motor BDC)玄流无刷电机(Brushless DC Motor. BLDC) (Permanent Magnet SynchronousMotor, PMSM)己发表了一些基F dsPIC DSC电机控制系列的应用笔 记（见“参考文献）这叫应用笔记可从Microchip 网站（WWW microchip com）获取 c本应用笔记说明了 dsPIC DSC如何利用特别适介电机 控制的外设（电机控制PWM和高速ADC）來执行 PMSM的无传感器磁场定向控制。dsPIC DSC的DSP 引擎支持必要4快速的数学运算o数据监视和控制界面数据监视和控制界面（Data Monitor and Control Interface. DMCI）能够与MPLABIDE快速动态集成.可Ml过这一个界面对IDE项目中的范围值开/关状态 或离散值进行变嵐控制以对应用的运行加以限制.如果 需要.应用反馈可以国形方式來农示捉供电机控制和 音频处理方面的应用示例。DMCI可提供：9个淸块和9个布尔駅（开/关控制（见图1） 35路输入控制（见图2） 4个图（见图3）该界面提供了可识别项目的程序符号（变虽）导航.这 些符号可被动态地分配给滑块控制、宜接输入控制或布 尔吊控制的任童纽介.就厉这叫控制可交可地用來更改 MPLAB IDE中的聊序变这此图山可动杰地进行 配置以査看程序所生成的数据o应用重点本应用笔记的目的在于说明使用Microchip数7信号控 制器.以软件的方式实现PMSM的无传感器磁场定向控 制。该控制软件具右如卜待征：实现PMSM的矢虽控制。位代和速度佔算算法可避免使用位氏传感器。测试得到速度范围从500到17000 RPM.当控制环周期为50 ps时,软件需要约21个 MIPS的CPU开销（占CPU总体开销的2/3）.应用程序需耍450字节的数据存储空间。包含用 门界面在内一共需耍人约6K 7廿的程序存储空 间根据对存储空间的需求应用程序应可在 dsPIC33FJ12MC202上运行口的为止.此器件 是体积最小II域八成本效益的dsPIC33F器件。启用町选的诊断模式以在示波器匕对内部程序变戢 进行实时观察该功能町便对控制环进彳亍调整DS01078B_CN 第 # 页 2010 Microchip Technology Inc.AN107DS01078B_CN 第 # 页 2010 Microchip Technology Inc.AN107注： DMCI工H的特性可能会仃所变化。关丁DMCI匸具的说明,以其发布日期为准.DS01078B_CN 第 # 页 2010 Microchip Technology Inc.AN107J 2010 Microchip Technology Inc.DS01078B_CN 第# 页AN107JS1：动态数据控制界面图2：用户自定义数据输入控制 2010 Microchip Technology Inc.DS01078B_CN 第# 页AN107； 2010 Microchip Technology Inc.DS01078B_CN 第# 页AN107；图3：图形数据视图 2010 Microchip Technology Inc.DS01078B_CN 第# 页AN107；系统概述如图4所示,在电机轴上没有安装位置传感器。而使用 低fl感系数的分流电阻(逆变器的一部分)來测戢电机 上的电流.三相逆变器被用作功率级來驱动电机绕组 电源逆变器内世的电流检测和故障生成电路可防止整个 系统受到过电流的损坏。图5说明了如何实现3相拓扑以及电流检测和故障生成 电路。逆变器左边的笫个晶体借用丁功率因数校正(Power Factor Correction. PFC),本应用笔记中不作具体介 绍。本应用笔记中所涉及的破件JZ：dsPICDEM MCLV JF-发 板(DM330021)(用于电压最高为50VDC的场合).以及 dsPICDEM MCHV 开发板(DM330023)(用 丁电压最高为400 VDC的场介)两不均可从Microchip 网站(vwvw.microchip com)订购。 2010 Microchip Technology Inc.DS01078B_CN 第# 页AN107； 2010 Microchip Technology Inc.DS01078B_CN 第# 页AN107；图4：系统概述PWM1HPWM1LPWM2HPWM2LPWM3HPVWI3LANOAN1RB8AN8RA8B过流速度给定4r3相逆变器r用八接口 2010 Microchip Technology Inc.DS01078B_CN 第# 页AN107； 2010 Microchip Technology Inc.DS01078B_CN 第# 页AN107；图5：3相拓扑 2010 Microchip Technology Inc.DS01078B_CN 第# 页AN107；可选功爭因余校正115/230VAC 2010 Microchip Technology Inc.DS01078B_CN 第# 页AN107；磁场定向控制从不同的角度理解磁场定向控制理解FOC （有时称为矢呈控制）如何工作的一种方法 是在头脑中设处!参考坐标变换过程。如果从定子的角度 来设想交流电机的运行过程则会看到在定子匕施加了 一个正弦输入电流.该时变信号产生了旋转的磁通转 了的速度是旋转磁通矢园的函数。从静止的介度來看. 定子电流和旋转磁通矢星看似交流虽:。现在.设想在电机内部.转了随着定子电流所产生的旋 转廉通矢量以相同的速度同步旋转。如果从这个角用 察稳态条件卜的电机.那么定子电流看似常戢.M旋转 磁通矢厳是静止的.垠终冷塑控制圧子电流來获得期望的转子电流（不对 肖接测戢得到）通过参考坐标变换.可使用标准控制