采用8位微控制器實現無傳感器磁場定向控制

作者：Arno Rabenstein（英飛凌科技股份公司　高級應用工程師）

導言

　　由于具有更高的效率、更好的動態響應以及更小的扭矩波動，磁場定向控制（FOC）正越來越多地被應用于消費和工業電機中。采用英飛凌8位微控制器XC886和XC888實現無傳感器FOC技術（當輸出15kHz PWM載頻和133µs電流控制響應時間時）只需要占用58%的CPU負荷，就足以滿足特定功能應用的需求。經過高度優化的PWM單元CAPCOM6E能觸發模數轉換器來測量單直流母線電阻上的電流，為能在標準的8位微控制器上實現無傳感器FOC創造了條件。16位無傳感器FOC算法僅由片上內嵌的協處理器MDU和CORDIC（矢量計算機）以及8051兼容CPU的聯合應用就可以實現。MDU是一個16位乘法和除法單元，CORDIC是一個專用于矢量旋轉和角度計算的16位協處理器。
　　在英飛凌8位微控制器XC886和XC888上實現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。和大多數采用硬編碼方式實現的其它類型的FOC不同，基于XC886/8微控制器的解決方案具有軟件重復編程能力所帶來的附加優勢，能向用戶提供靈活多變的應用選擇。

無傳感器的磁場定向控制

　　磁場定向控制算法需要轉子位置的信息。轉子位置可以通過諸如編碼器或旋轉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。這一方法是基于轉子永磁體與定子磁場的相互作用而實現的。
　　為了確定轉子的實際角度，能通過對特定的電壓積分來得到磁通量矢量>Psi<。
　
　　基于特定微分方程的電壓模型只是旋轉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。
　　在標準8位微控制器上實現的無傳感器磁場定向控制（FOC）能以最小的系統代價獲得正弦換向的全部優勢。當在直流環節中只使用單個電阻采樣來獲取相電流時，對快速精確的模數轉換有很苛刻的要求。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制的響應）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、第二個有效狀態以及無效狀態的時間，從而得到所需的空間矢量的幅度和角度。參見圖[>>SVPWM.emf <<]中的實例。第一個有效狀態（b&f）的時間為TU，第二個有效狀態的時間（c&e）為T-W，無效狀態的時間為T0 ，其會出現兩次，第一次出現在（000）矢量位置（a&f），第二次出現在（111）矢量位置（d）。
　　為了在直流母線電流外重建相電流，必須在有效狀態期間觸發模數轉換器。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。這樣在直流環節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這一情況。因此必須采用空間矢量脈沖寬度調制來消除六邊形的交角。交角的消除會導致輸出信號中出現一些紋波，必須盡可能地減小這些紋波。

實際值的獲取

　　圖[>>FOC_Implementation.emf<<]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子的位置，用來測量電流的PWM模式生成和模數轉換器觸發必須十分迅速準確。觸發點中的任何抖動都將影響對于轉子實際角度的估計。從而增加正弦電流信號的總諧波失真。

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　　XC886/888C（L）M采用從PWM單元CapCom6E向模數轉換器發出的基于事件的硬件觸發來實現上述要求。圖[>>CAPCOM6E.emf<<]中第二個PWM周期中的綠色閃電狀符號代表直接觸發模數轉換器進行采樣的硬件事件。基于事件的觸發器能消除任何中斷延遲，為快速準確的電流測量創造條件。在信號采樣完成后，由于被采樣的電壓在內部被存儲，因此轉換狀態不再需要在輸入端有一個正確的信號。轉換完成后，結果被存儲到四個結果寄存器之一。兩個結果寄存器被用來保存適當的直流母線電流值IDClink。ADC的采樣時間僅為250ns。當在圖[>>SVPWM.emf <<]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換的。
　　觸發時刻可以由CAPCOM6E單元的比較和周期值來進行調整。有兩個能互相同步的定時器。定時器T12用來產生空間矢量脈沖寬度調制的波形。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，用來觸發模數轉換器。調節比較值和周期值，使電流在有效狀態的中間時刻被測量。同時采用兩個模數轉換器的通道來對被放大的采樣電阻上的信號進行采樣。得到的結果被存儲在兩個不同的結果寄存器中。這樣FOC計算就能直接讀取結果寄存器，而不用擔心能否及時觸發測量操作。

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。基本概念是級聯控制，但關鍵的不同之處在于電氣變量（Vd, Id, Vq和Iq）隨轉子一起旋轉。因此，在定子中測得的電流（Iα 和Iβ）必須被轉換到轉子坐標系中（Id和Iq）。電流控制器在旋轉系統中由PI控制器實現，能對場激勵產生的d分量和由扭矩激勵產生的q分量分別進行控制。和直流電機中的情況一樣，速度控制器能調節扭矩激勵電流Iq的參考值。由于轉子是永磁體，因此場激勵電流的參考值Id被設置成零。
　　電流控制器的輸出代表轉子坐標中的參考電壓（Vd和 Vq）。為了計算出極坐標（模和輻角），這些值必須被轉換到定子的坐標系中（Vα和Vβ）。采用空間矢量脈沖寬度調制，通過調制相應功率逆變器的高邊和低邊開關，就能將模和輻角轉換成三相電流的形式。
　　所有計算都在定時器T12周期匹配時被調用的中斷服務程序中逐步執行。計算執行所需的時間比一個PWM周期要長。結果，控制環路時間必須為PWM周期的兩倍，即在20KHz的PWM頻率下，控制環路每100µs被計算一次。

FOC驅動應用套件：CANmotion

　　FOC 驅動應用套件可為客戶對采用FOC技術的永磁同步電機（PMSM）控制設備的評估和開發提供經濟高效的方法。
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。
　　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調節。基于CAN報文的用戶界面使用戶能夠設置并修改所有用于速度和電流控制的電機控制參數。獨特的基于CAN的監控技術能為電機控制應用提供實時控制。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。完整的開發環境包括一套免費的工具鏈，能使用戶預先進入應用開發的下一個環節，并使用相同的應用套件進行定制。
　　欲獲取關于英飛凌無傳感器FOC算法和FOC驅動應用套件的詳細信息，敬請訪問：http://www.infineon.com/XC800-FOC。

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網絡鏈接：

　　FOC驅動應用套件  http://www.infineon.com/XC800-FOC
　　8位微控制器XC800         http://www.infineon.com/XC800
　　XC886的數據表和用戶指南 http://www.infineon.com/XC886
　　XC888的數據表和用戶指南 http://www.infineon.com/XC888

方框

　　支持無傳感器磁場定向控制功能的XC886和XC888的主要特性：
　　• 高性能16位矢量計算機（CORDIC+MDU）
　　　　o　　諸如派克變換等矢量旋轉和轉換
　　　　o　　歸一化和定標
　　　　o　　基于中斷的操作帶來最小的CPU負載
　　• 用于高級電機控制的PWM單元（CapCom6E）
　　　　o　　用于產生高精度空間矢量PWM的16位分辨率
　　　　o　　硬件耗費最小的死區時間控制（MOSFET/IGBT的直接控制）
　　　　o　　CTRAP提供硬件過載保護
　　• 快速10位模數轉換器（0.25 µs的采樣時間）
　　　　o　　與PWM單元的硬件同步減小了CPU負荷
　　　　o　　使用四個結果寄存器中的兩個以獲取最佳的采樣性能
　　　　o　　能進行單個直流母線電阻電流的測量
　　　　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
 [圖 >>XC886_Blockdiagram.emf<<]

作者：
Arno Rabenstein，物理學家，英飛凌科技股份公司應用工程師，從事對具有8位和16位微控制器的電機控制系統中微控制器的研究工作，對英飛凌的通信產品、汽車動力產品和微控制器具有長達8年的研究經驗。
聯系方式：
電子郵件： Arno.Rabenstein@infineon.com
電話： +49 89/234-21370
傳真： +49 89/234-955 0631
 
圖：

>>SVPWM.emf <<
副標題：空間矢量脈沖寬度調制：三相逆變器輸出信號與直流母線電流I_Dclink

>>CAPCOM6E.emf<<
副標題：空間矢量脈沖寬度調制和模數轉換器觸發的時序圖

>>FOC_Implementation.emf <<
副標題：PMSM電機的無傳感器磁場定向控制

>>XC886_Blockdiagram.emf<<
副標題：帶有矢量計算機的8位微控制器XC886/888的框圖