[经验] 【转载】开环全正弦无感FOC

Jacktang 2019-11-6 07:43 楼主

原文作者：KVIN 转载链接：https://www.icxbk.com/article/detail?aid=969

做好SVPWM之后，就可以按照自己的项目要求，来确定自己的方向，是有霍尔FOC，还是有编码器FOC（伺服电机），还是无传感器FOC，从软件算法的角度来讲，无传感器FOC是比较难的，因为没有传感器去获取电角度，也就是位置信息。看下面的FOC控制框图：

从上图中便可看出FOC的几个关键部分:SVPWM,几个三相交流变两相直流的公式，以及速度/位置反馈，在有传感器的电机控制中，无论是霍尔还是编码器，编码器就更简单一些了，可以直接反馈出电角度，只需要自己对应好电角度与机械角度即可，霍尔传感器虽然没有编码器那么方便，但也是可以轻松霍尔电角度的，只是有霍尔FOC的控制策略需要稍加改变。

有霍尔FOC需要方波启动，然后切换到正弦波(SVPWM)，我最开始也是先做了这种控制模式，先使用了简单一些的带霍尔的BLDC，使用方波启动，然后切换到FOC，切换过程需要调试一下霍尔传感器对应的电角度，这个调试并不是很难，0－359的电角度，就算是一个一个试，一天也能试出来了，大约有30个电角度的范围，都是可以正常切换的，也就是说，假如硬件上霍尔U相对应的电角度为60度，那么切换角度大约45-75度之内都是可以切换成功的，只是偏离得大了，电流会大，这个注意一下电源的电流即可，而且偏离得大，电流就不是那么正弦，用电流计观测示波器波形也可以测试出来。关于有霍尔FOC的方波切换正弦波，以后有机会再详细说明。

项目中要求使用无传感器BLDC电机，也就没有传感器去直接获取电角度，需要通过算法来重构出电角度与转速，只要获取到电角度，转速是比较容易的。相比之下，虽然驱动无传感器电机算法要难一些，但是对于有传感器电机，无传感器电机的优势也是比较明显的：
1.成本低，传感器的成本也是高的，尤其是伺服电机的编码器
2.在一些恶劣环境，比如高温环境，传感器是有可能会有失灵或不准确的情况的，此时使用无传感器电机要好很多。

同样，无传感器的BLDC电机的劣势也是显而易见的：
１.算法复杂，开发周期长
２.启动困难，在对启动不能抖动的应用场合，应用不方便
３.精度不高，在对控制精度有要求的应用场合，也基本不会选用无传感器电机

启动算法分析比较：

业内承认的一个公认无感永磁同步机的难点－－－启动问题，无感电机的启动是一个世界性难题，当然，不是说无法启动，而是没有一个通用的方法能够比较好的启动所有电机，由于状态观测器重构电角度需要使用正弦电流来观测反电动势，进而观测电角度，在电机静止条件下，没有电流，也就无法观测出电角度，目前比较通用的做法是两种：强拖，或者高频注入。

１.强拖

强拖就稍微简单，好理解一些。强拖有一个致命的缺点，就是启动可能会反转，这是这种方法的固有缺点，使用SVPWM强拖，也可以做到全正弦，而且抖动比较小，但毕竟还是有抖动的，我也是采用的这种方法，因为我的应用场合是卡车水泵，因此启动的反转基本没什么影响，因此使用这种方法。

２.高频注入

高频注入可以做到在电机零速或低速的时候检测到电角度，但是高频注入对于电机凸极率是有一些要求的，也就是说，对于一些电机，使用高频注入会非常难调，或者根本无法使用这种方法。除此之外，高频注入算法复杂，需要设计滤波器，对于一些低端芯片，或者说计算能力差一些的芯片，对编程能力是一个巨大的考验，我也不能说肯定写不出来这样的程序，毕竟ST用030都做出来高频注入了。

观测器的分析比较：

分析各大做电机控制的半导体公司的方案，以及对现有资料的丰富度分析，如果我没记错的话，TI是使用的FAST观测器+反正切，ST是使用的龙伯格观测器+PLL，Microchip使用的是滑模观测器+PLL，新塘使用的滑模观测器+反正切+PLL，传统的方案是滑模观测器＋反正切，或滑模观测器＋PLL，因为滑模观测器比较简单，编程容易。

综上，根据项目需求以及软件算法综合比较，采用SVPWM强拖+滑模观测器+反正切+PLL的方式实现全正弦无感FOC。

滑模观测器主要包含三部分：
１.电机方程
２.滑模面选取
３.符号函数选取
第一步建立电机方程，有两种方式，第一种：利用静止的α－β坐标系建立电机方程，第二种：利用运动的ｄ－ｑ坐标系建立电机方程，我选用的是第一种，第一种比较简单一些。

第二步选取滑模面，选取估计电流与实际电流的差值作为滑模面。

第三步符号函数，符号函数我尝试了两种，饱和函数与连续函数，都可以调出来效果。

基本就是使用的传统SMO的方法，框图如下：

我加入了注释，应该对滑模＋反正切算法的流程一目了然，之后便是各个具体步骤，
α－β坐标系下的电机模型：

结合之前的SMO控制框图，再看这个会比较容易一些

而符号函数的选取，有很多种，可以根据自己的实际芯片能力，以及实际效果来选取，鉴于我的芯片计算能力，我试了两种－－－饱和函数与连续函数。

观测器之后便是反正切，反正切也需要看自己芯片的计算能力，我使用的是103，计算能力不足，不可以直接使用atan函数，因此需要编写反正切的快速计算算法，实际效果也还行，因为我只需要计算出整数电角度与即可，也就是0-359度，最后测试快速计算算法时间也符合要求，差不多迭代3-4次即可计算出任意整数电角度：

在这些算法程序都编写好之后，便是观测器的调试，主要是符号函数与电机模型参数的调试，这个要看自己的实际情况而定，每个电机的参数都有所不同。

调试观测器的时候，因为此观测器是使用电流重构的，因此要保证电流采样的正确性，以及转速不能太低，转速过低的话是无法从强拖切换到观测器的，因此先调试强拖，转速先到一定水平，一般是电机额定转速的10%左右，之后就是调试电机模型，基本上电机模型调试正确，符号函数就很好调试，模型也就是电机的阻感参数，根据自己的电机类型，凸极式电机就调试Lq,Ld,Rs，表贴式电机就调试Ls,Rs，在知道电机类型，以及使用仪器实际测试电机参数之后，进行微调，切忌盲目调试。

可以参照我的调试方法：先使用有霍尔电机，用霍尔传感器实际测试出来的电角度对观测器的电角度进行验证，先对比一下调试结果是否可用，情况会好很多，我最开始调试的初步效果如下：