SensorlessFieldOrientedControlofPMSM.pdf

AN1078 PMSM 的无传感器磁场定向控制 作者： Jorge Zambada 和 Debraj Deb Microchip Technology Inc. 简介 设计者根据对环境的需求，希望能不断开拓高级电机控 制技术，用以制造节能空调、洗衣机和其他家用电器产 品。到目前为止，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出快速响应以迅速改变电 机的转速。因此，我们需要高级电机控制算法，以制造 出更加节能的静音设备。在这种情况下，磁场定向控制 （Field Oriented Control， FOC）脱颖而出，成为满足 这些环境需求的主要方法。 本应用笔记讨论了使用 Microchip dsPIC? DSC 系列对 永 磁 同 步 电 机 （Permanent Magnet 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 驱动定子，而这种控制过程会使生成的转矩产生振荡。 在六步控制过程中，给一对绕组通电直到转子达到下一 位置，然后电机换相到下一步。霍尔传感器用于确定转 子的位置，以采用电子方式给电机换相。高级的无传感 器算法使用在定子绕组中产生的反电动势来确定转子位 置。 六步控制 （也称为梯形控制）的动态响应并不适用于洗 衣机，这是因为在洗涤过程中负载始终处于动态变化 中，并随实际洗涤量和选定的洗涤模式不同而变化。而 且，对于前开式洗衣机，当负载位于滚筒的顶部时，必 须克服重力对电机负载作功。 只有使用高级的算法如 FOC 才可处理这些动态负载变化。 本应用笔记着重于适用于电器的基于PMSM的无传感器 FOC 控制，这是因为该控制技术在电器的电机控制方面 有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，即由于电机被淹或其线束放置 位置的限制等问题，而无法部署位置或速度传感器。由 于PMSM使用了由转子上的永磁体所产生的恒定转子磁 场，因此它尤其适用于电器产品。此外，其定子磁场是 由正弦分布的绕组产生的。与感应电机相比，PMSM 在 其尺寸上具有无可比拟的优势。 由于使用了无刷技术， 这种电机的电噪音也比直流电机小。 为什么使用数字信号控制器来进行电机控 制？ dsPIC DSC 尤其适用于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具有下列特别适用于电 机控制的外设： ? 脉宽调制 （Pulse-Width Modulation， PWM） ? 模数转换器 （Analog-to-Digital Converter， ADC） ? 正交编码器接口 （Quadrature Encoder Interface， QEI） 在执行控制器程序以及实现数字滤波器时，由于 MAC 指令和小数运算可在一个周期内执行，因此 dsPIC DSC 器件允许设计者对代码进行优化。同时，对于那些需要 饱和功能的运算，dsPIC DSC 器件通过提供硬件饱和保 护以避免溢出。 dsPIC DSC 需要快速且灵活的模数（A/D）转换来检测 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 上的多触发选项可允许使用廉 价的电流检测电阻来测量绕组电流。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 间内对输入进行检测 （开关晶体管使电流流过检测电 阻）。 ? 2010 Microchip Technology Inc. DS01078B_CN 第1 页 AN1078 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） ? 直流无刷电机 （Brushless DC Motor， BLDC） ? 永磁同步电机 （Permanent Magnet Synchronous Motor， PMSM） 已发表了一些基于 dsPIC DSC 电机控制系列的应用笔 记 （见 “参考文献”）。 这些应用笔记可从 Microchip 网站 （）获取。 本应用笔记说明了 dsPIC DSC 如何利用特别适合电机 控制的外设 （电机控制 PWM 和高速 ADC）来执行 PMSM 的无传感器磁场定向控制。 dsPIC DSC 的 DSP 引擎支持必要且