今日頭條
官方微信
官方抖音
案例頻道★劉志鵬，張安東（貴州航天林泉電機有限公司蘇州分公司，江蘇蘇州215000）
關鍵詞：無感FOC；電機控制；可換向；試驗驗證
1 引言
永磁同步電機因其壽命長、效率高、可靠性強、體積小的特點被運用于各種場合，相較于傳統的方波控制，目前較為高效的FOC控制策略被廣泛應用于永磁同步電機的驅動控制[1]。FOC控制算法的精確程度主要取決于控制器對電機轉子角度檢測的準確性[2]，目前對于電機轉子角度觀測策略大致分為有感、無感兩種，其中有感FOC主要依靠霍爾傳感器、光電編碼器以及旋轉變壓器等位置傳感器提供轉子信息[3]。
有感FOC控制策略對轉子位置測量精度較高，電機控制效果較好，但對電機尺寸、造價以及外部環境有一定要求，不適用于低成本以及較為惡劣的工作環境[4]。無感FOC控制策略通過讀取電機內部狀態以獲取電機轉子角度[5]，用以實現電機驅動，具有成本低、可靠性強等特點[6]，被廣泛應用于空調壓縮機、水泵、風扇等作業場所。
國內無感FOC控制策略多用于單向驅動電機運行，對電機換向驅動控制研究與應用較少。針對該種情況，本文以可換向無感FOC控制策略為研究對象，設計了一種可換向的無感FOC控制策略，并進行試驗驗證。
2 轉子位置估算原理
與有感控制策略不同，本文無感控制策略通過估算電機運行狀態下的反電勢，經過正反切計算估算得出實際轉子角度，以實現無位置傳感器狀態下電機轉子角度的讀取。
2.1 初始角度確定
與有感控制策略不同，無感FOC需對電機初始角度進行設定，為后續計算角度讀取提供初值。
2.2 反電勢計算
根據電機模型公式（1）：
（1）
可知在運行狀態下，通過對電機輸入電流、電機輸入電壓讀取，可得出電機當前狀態下反電勢具體數值，但該狀態下的電機模型與電機實際狀態模型具有一定區別，所得的反電勢數值誤差較大，為確保建立模型與電機實際狀態相符，本文以電機電流為變量，設計添加滑模觀測器。
2.3 滑模觀測器建立與轉子角度計算
本文選用兩種方式用以表示電機，一種是電機本體，另一種為控制器內部軟件，兩種使用同一輸入電壓（Vs），以電機實際電流（Is）與電機估算電流（Is*）之間差值作為分析對象。
滑模觀測器原理如圖1所示，對于線性范圍外的誤差值，滑模觀測器輸出為（+Ksiled）或（-Ksilde），符號取決于誤差值符號，線性內的區域則將計算后的結果輸出。每個計算周期均重復一遍該過程，隨著計算次數的增加，電機實際模型與估計模型基本一致，使得估計反電勢與實際反電勢基本一致。
圖1 滑模觀測器原理圖
通過公式（2）：θ=arctan(eα,eβ)（2）
獲得接近實際的電機轉子角度估算值。
3 整體控制策略
本文采用無感FOC作為整體控制策略，該策略主要由強拖啟動、開環運行、閉環運行以及換向處理四部分組成。
3.1 強拖啟動
本文采用強拖的方式對電機啟動初始角度進行設定，具體方式是通過短接電機相位線，將轉子強制拉至固定電角度。
該種方式的特點在于，電機啟動初始角度為固定數值，但有一定概率在啟動時出現電機反向轉動。
3.2 開環運行
強拖至固定位置后，電機反電勢較小，控制器無法準確讀取，對此需進行開環運行。
具體運行方式如圖2所示，電機啟動階段以固定加速度運行，相位角以無反饋的方式恒定遞增，該狀態下對電機q軸與d軸電流進行實時監控，當q軸電流到達預設值后，控制器進入閉環運行狀態。
圖2 電機開環狀態運行示意圖
3.3 閉環運行
電機轉速到達預設數值后，電機產生反電勢較大，可較為準確讀取電機轉子信息，開始進入電機FOC主體控制算法，為確保FOC控制算法的響應速度FOC主體控制算法在AD的DMA中斷中進行，具體方法如圖3所示。
圖3 FOC控制策略流程圖
本文方案中首先進行電流閉環控制，電機轉速到達預設典型值后，開啟速度閉環控制，該階段后，電機到達穩定運行狀態。
3.4 換向策略
無刷電機基本運行方式是控制器通過對電機三相線圈依次通電產生感應磁場，推動轉子轉動，產生動力。據此分析，如將三相線圈通電順序變換，則電機線圈產生的感應磁場順序顛倒，最終實現電機運行方向改變。
據此設計控制器換向策略，軸向順時針運行狀態下，電機電流A、B采樣設定為A、B相電流數值，PWM輸出端按照A、B、C相依次輸出；軸向逆時針運行狀態下，電機電流A、B采樣設定為B、A相電流數值，PWM輸出端按照B、A、C相依次輸出，以達到電機無感FOC換向的目的。如圖4所示。
圖4 控制器無感換向策略流程圖
4 控制器設計與搭建
根據整體控制思路與策略，控制器整體分為單片機控制電路、驅動電路、反饋采樣電路以及通訊接口四部分。
4.1 單片機控制電路
根據本文控制策略，選用Mirchip公司生成的16位單片機DSPIC33EP64MC202，該型單片機最高主頻120MHz，內設8路AD輸入接口、2路串口、3個定時器以及用于輸出6路PWM信號的電機專用PWM模塊，根據電機控制過程中PWM控制信號的發生頻率的特點，本文采用8MHz晶振作為芯片外部時鐘，主頻采用80MHz，同時單片機控制電路設計通訊接口，用以實時監控控制器運行狀態。單片機控制電路如圖5所示。
圖5 單片機控制電路
4.2 驅動電路
由于選用的單片機驅動能力有限，需添加驅動電路用于增強單片機驅動信號，經過增強后的驅動信號傳遞至功率管，本文選用3組上下臂橋6個MOSFEET作為電機驅動功率元器件。
驅動電路如圖6所示，根據驅動電機功率，選用IR2136SPBF作為控制器驅動芯片，該芯片為三相全橋驅動芯片，可用于驅動600V以內的MOSFEET或IGBT，滿足電機控制需求，同時該芯片具有硬件過流保護功能，在硬件上確保功率元器件不會被過大電流燒毀。
圖6 驅動電路
4.3 反饋采樣電路
根據低成本設計要求，本文采用電阻采樣作為電流采樣方式。但該種方式電流采樣數值較小，不利于單片機對電機相電流采樣準確性，對此結合控制策略設計反饋采樣電路，被采集的電機相電流信號經過比例放大，傳遞至單片機AD輸入引腳，經過比例計算得出實際電路數值，如圖7所示。
圖7 反饋采樣電路
4.4 供電電源電路
根據所控制芯片供電電壓為3.3V的情況，設計電源供電方案，電源輸入后，將母線電源分為控制電與功率電。控制電源用于為單片機控制電路、采樣反饋電路以及驅動芯片供電，單片機控制電路、采樣反饋電路電源需經過電源芯片進行降壓處理后使用；功率電源則直接為電機驅動功率元器件直接進行供電，如圖8所示。
圖8 供電電源電路
5 驗證試驗
5.1 試驗目的及規劃
為驗證本文控制策略可靠性，需進行控制器試驗驗證。
具體試驗材料為：控制器一臺、永磁同步電機一臺、示波器一臺以及測功機一臺。其中永磁同步的電機的額定轉速為4000rpm，額定電壓12V，額定功率120W，且電機頂端安裝電子齒輪作為預設恒定負載。
規劃試驗由可靠性試驗和對比驗證試驗兩部分組成。
可靠性試驗是通過對比驗證該算法能否在兩種旋轉方向成功驅動電機啟動并穩定運行，可靠性試驗具體規劃如下：
預設轉速4000rpm，對比兩種旋轉方向的啟動以及閉環運行狀態下的電流波形，分析該控制器運行可靠性。
對比分析試驗則是通過對比兩種旋轉方向分析電機在閉環運行狀態下不同轉速的電流數值區別，對比試驗具體規劃如下：
分別在12V額定電壓下對比測試兩方向的1000、2000、3000、4000rpm下測量電機母線電流有效值，分析兩者差異，根據產品要求，如母線電流有效值差異值小于0.2A，則可判定該控制策略可行性。
5.2 試驗結果分析
首先進行可靠性試驗，進行如圖9所示的可靠性試驗。
試驗結果如圖10所示，根據電流波形對比分析，兩種旋轉方向均能穩定驅動電機運行且電機運行狀態較為穩定。
圖9 驗證試驗現場圖
圖10 可靠性試驗結果波形圖
根據試驗規劃，進行對比分析試驗。試驗結果如表1所示，其中CW指電機軸向逆時針方向，CCW指電機軸向順時針方向，
表1 對比分析試驗結果
根據試驗結果可知，在本文控制策略中電機在不同方向、相同轉速時母線電流最大差異值為0.1A，該差異值小于0.2A，據此可確定本文控制策略適用于本文的可換向無感FOC控制應用場合。
6 結語
本文以可換向無感FOC控制策略為研究對象，設計了一款可換向的無感FOC控制策略，該策略以強拖作為啟動方式，通過滑模觀測器觀測電機實際狀態，結合電機運行原理，設計了無感FOC電機換向策略，并通過試驗驗證該換向策略可行性，為日后采用相同設計方案提供參考。
作者簡介：
劉志鵬 （1994-），吉林延邊人，助理工程師，碩士，現就職于貴州航天林泉電機有限公司蘇州分公司，研究方向為電機控制。
張安東 （1974-），上海人，教授級高級工程師，學士，現就職于貴州航天林泉電機有限公司蘇州分公司，研究方向為電機控制。
參考文獻：
[1]吳志偉.基于滑模觀測器的直流無刷電機矢量控制系統設計與實現[D].江蘇:東南大學,2017.
[2]何鄭,馬西沛,范平清,趙恒,王巖松.永磁同步電機無位置傳感器控制策略研究[J].上海工程技術大學學報,2021,35(04):321-326.
[3]易磊,曲榮海,李新華,等.霍爾位置檢測的電動汽車永磁電機矢量控制[J].微特電機,2018,46(9):63-67.
[4]曹雷.永磁同步電機無速度傳感器矢量控制系統設計[D].湖南:湖南大學,2020.
[5]孫愷英.永磁同步電機無速度傳感器狀態估計及控制策略研究[D].天津:天津大學,2019.
[6]趙靖,曾靈飛.現代電機控制技術的發展現狀及展望[J].時代汽車,2020,(07):22-23.
摘自《自動化博覽》2022年7月刊
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號