采用8位微控制器實現(xiàn)無傳感器磁場定向控制

　　導(dǎo)言

　　由于具有更高的效率、更好的動態(tài)響應(yīng)以及更小的扭矩波動，磁場定向控制(FOC)正越來越多地被應(yīng)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實現(xiàn)無傳感器FOC技術(shù)(當(dāng)輸出15kHz PWM載頻和133ms電流控制響應(yīng)時間時)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(矢量計算機)以及8051兼容CPU的聯(lián)合應(yīng)用就可以實現(xiàn)。MDU是一個16位乘法和除法單元，CORDIC是一個專用于矢量旋轉(zhuǎn)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上實現(xiàn)的無傳感器磁場定向控制，能為電器制造商所面臨的能耗要求和定價壓力提供完美的解決方案。和大多數(shù)采用硬編碼方式實現(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，能向用戶提供靈活多變的應(yīng)用選擇。

　　無傳感器的磁場定向控制

　　磁場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(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的相互作用而實現(xiàn)的。

　　為了確定轉(zhuǎn)子的實際角度，能通過對特定的電壓積分來得到磁通量矢量。

　　基于特定微分方程的電壓模型只是旋轉(zhuǎn)場電機的一個簡單模型。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位微控制器上實現(xiàn)的無傳感器磁場定向控制(FOC)能以最小的系統(tǒng)代價獲得正弦換向的全部優(yōu)勢。當(dāng)在直流環(huán)節(jié)中只使用單個電阻采樣來獲取相電流時，對快速精確的模數(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(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能在空間中“浮動”的正弦曲線。三相空間矢量由一個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”電壓和來自另外兩相的“虛”直角電壓。空間矢量算法將確定處于第一、第二個有效狀態(tài)以及無效狀態(tài)的時間，從而得到所需的空間矢量的幅度和角度。參見圖1中的實例。第一個有效狀態(tài)(b&f)的時間為TU，第二個有效狀態(tài)的時間(c&e)為T-W，無效狀態(tài)的時間為T0 ，其會出現(xiàn)兩次，第一次出現(xiàn)在(000)矢量位置(a&g)，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。交角的消除會導(dǎo)致輸出信號中出現(xiàn)一些紋波，必須盡可能地減小這些紋波。

　　實際值的獲取

　　圖2顯示了帶有對永磁同步電機(PMSM)進行速度控制的無傳感器FOC的框圖。為了通過單個直流母線電阻的測量來估計轉(zhuǎn)子的位置，用來測量電流的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)點中的任何抖動都將影響對于轉(zhuǎn)子實際角度的估計。從而增加正弦電流信號的總諧波失真。

　　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)來實現(xiàn)上述要求。圖3中第二個PWM周期中的綠色閃電狀符號代表直接觸發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行采樣的硬件事件?；谑录挠|發(fā)器能消除任何中斷延遲，為快速準(zhǔn)確的電流測量創(chuàng)造條件。在信號采樣完成后，由于被采樣的電壓在內(nèi)部被存儲，因此轉(zhuǎn)換狀態(tài)不再需要在輸入端有一個正確的信號。轉(zhuǎn)換完成后，結(jié)果被存儲到四個結(jié)果寄存器之一。兩個結(jié)果寄存器被用來保存適當(dāng)?shù)闹绷髂妇€電流值IDClink。ADC的采樣時間僅為250ns。當(dāng)在圖1中的時間間隙(b)和(e)中對電流進行測量時，總是會有足夠的時間來進行轉(zhuǎn)換的。

　　觸發(fā)時刻可以由CAPCOM6E單元的比較和周期值來進行調(diào)整。有兩個能互相同步的定時器。定時器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比較值，從而確保操作不受脈沖毛刺的影響。定時器T13在啟動時就被同步到與定時器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)的中間時刻被測量。同時采用兩個模數(shù)轉(zhuǎn)換器的通道來對被放大的采樣電阻上的信號進行采樣。得到的結(jié)果被存儲在兩個不同的結(jié)果寄存器中。這樣FOC計算就能直接讀取結(jié)果寄存器，而不用擔(dān)心能否及時觸發(fā)測量操作。

　　磁場定向控制的計算

　　從控制的觀點來看，磁場定向控制與直流電機的控制原理類似?；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(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)。因此，在定子中測得的電流(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控制器實現(xiàn)，能對場激勵產(chǎn)生的d分量和由扭矩激勵產(chǎn)生的q分量分別進行控制。和直流電機中的情況一樣，速度控制器能調(diào)節(jié)扭矩激勵電流Iq的參考值。由于轉(zhuǎn)子是永磁體，因此場激勵電流的參考值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。

　　所有計算都在定時器T12周期匹配時被調(diào)用的中斷服務(wù)程序中逐步執(zhí)行。計算執(zhí)行所需的時間比一個PWM周期要長。結(jié)果，控制環(huán)路時間必須為PWM周期的兩倍，即在20KHz的PWM頻率下，控制環(huán)路每100祍被計算一次。

　　FOC驅(qū)動應(yīng)用套件：CANmotion

　　FOC 驅(qū)動應(yīng)用套件可為客戶對采用FOC技術(shù)的永磁同步電機(PMSM)控制設(shè)備的評估和開發(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。完整的無傳感器FOC源代碼配合全面的文檔，使用戶能立即進行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，來進行16位代碼的下載和參數(shù)調(diào)節(jié)?；贑AN報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控制參數(shù)。獨特的基于CAN的監(jiān)控技術(shù)能為電機控制應(yīng)用提供實時控制。24V BLDC和插入式電源使該套件能隨時被使用。

　　預(yù)編譯演示板可提供輕松評估FOC算法和測量其性能的平臺。完整的開發(fā)環(huán)境包括一套免費的工具鏈，能使用戶預(yù)先進入應(yīng)用開發(fā)的下一個環(huán)節(jié)，并使用相同的應(yīng)用套件進行定制。

　　欲獲取關(guān)于英飛凌無傳感器FOC算法和FOC驅(qū)動應(yīng)用套件的詳細(xì)信息，敬請訪問：http://www.infineon.com/XC800-FOC。