有关永磁无刷电机正弦矢量控制方式的可行性调查

scott_allen

无刷马达采用正弦矢量控制的时代已经到来了,常规的120度梯形控制模式的磁链是正6边形,这在电机运行过程将产生一定机械噪音和运行平稳度的降低,而采用SVPWM控制模式,将产生一个非常接近圆周形磁链的旋转磁场,而不是120度控制方式的步进跳变60度的正六边形磁场.在这样的电压正弦矢量控制模式下,电机启动更平稳,噪音更低,目前老外做出来的控制采用了这种方式,那骑上去的感觉,说不出的爽.
通过了解得知,目前采用8位单片机做FOC磁链控制的也出来了,呵呵，革命时代来了!

四川办事处

支持正弦控制，我也在做这方面的研究，理论效率可增加30%。

yjz

正弦矢量控制方式不适于目前的电动车应用.

因为: 1. 目前的电动车电机仅适宜方波驱动, 其磁链结构与正弦波驱动电机是不同的, 这可以通过检测电机的反电势波形来得到验证.

         2. 正弦波驱动带来的另一个问题是电源利用率太低, 仅仅为目前方波驱动方式的50%, 这在用电池为动力能源的电动车应用中不能不说是一个限制其应用的大的制约因素.

01

我也做过这方面的试验，在低速时可以提高一点效率，高速时就相差不大了。我发现：用正弦波理论上也只能提高13%，这还是在最极端的状态时的，如果平均到整个周期的话就更是微不足道了。

scott_allen

各位,有关矢量控制方面的研究还需要深入,但从测试过老外的控制来看，无论是效率还是启动平稳度以及速度方面,都有优势;大家可以发表不同意见,但我告诉大家,不出两年,这个东西就会应用到电动车上,目前就有用的,但都是出口用的,方案也是老外的

zwmcu

支持正弦控制，我也在做这方面的研究，理论效率可增加30%。
四川办事处 发表于 2009-7-24 13:03

方波系统最高效率已经做到超过90%了 按川办的说法再增加30%效率 不得了 向川办学习！

sheji

支持正弦控制，我也在做这方面的研究，理论效率可增加30%。
四川办事处 发表于 2009-7-24 13:03

是增加其它控制方式的理论效率的30%吧？

四川办事处

是基数增量啊，不可能是递增增量，要是递增增量不是100%以上了，常识性的问题

scott_allen

基于NEC电子μPD78F1213的单电阻采样BLDC矢量控制系统
张广栋，闫在春，于 涛
日电电子（中国）有限公司
2009-06-02
    摘  要： 介绍了采用单电阻电流采样方法对电机的三相电流进行重构，并通过角度细分方法和PLL技术取得电机的实际位置角，从而进行矢量控制运算的电动自行车BLDC控制系统。系统中采用两相调制的SVPWM方法，在提高母线电压利用率的前提下降低了功率器件的开关损耗。相比目前在电动自行车控制领域所采用的两两通电的120°控制方式，本方法降低了系统的转矩脉动，提高了系统的平稳性。
    关键词： 电动自行车；单电阻采样；矢量控制；SVPWM；两相调制；PLL



    目前电动自行车控制器多采用两两通电的120°控制方式，在这种控制方式下电机的转矩波动较大，有较大的机械噪声。针对目前该领域的技术发展概况，本文提出了采用矢量控制的180°正弦波控制方式。同时从系统的成本考虑，采用单电阻电流采样方式，根据系统的开关状态对电机的三相电流进行重构，从而进行矢量控制运算。系统芯片采用NEC 78K0R/IC3系列芯片的μPD78F1213作为主控芯片，完成系统的各种采样和控制运算工作。


                                        μPD78F1213介绍
    μPD78F1213为NEC公司针对电动自行车控制所开发的78K0R/IC3系列芯片中的一款控制芯片，它在片上集成了电机控制功能的外围电路，在很大程度上降低了系统的复杂性。它具有如下特点：
    (1)20 MHz内部时钟；
    (2)外围电路时钟可达40 MHz；
    (3)32 KB ROM，1.5 KB RAM；
    (4)片上10位A/D转换芯片，最快可达2.5 μs；
    (5)6路PWM输出端口，具备死区功能；
    (6)片上乘法器；
    (7)内部集成运放和两段式电流保护功能；
    (8)定时器触发A/D转换；
    (9)12路16位定时器阵列，可灵活配置；
    (10)在线仿真和自编程功能。
    该系列芯片不仅适用于电动自行车控制的开发，而且还可以用于包括空调、洗衣机等各种家用电器的电机控制开发。


                                            系统介绍
                                                    总体结构
    基于μPD78F1213的E-BIKE控制系统结构如图1所示。在电动自行车控制器中，速度的给定是通过转把信号给定的模拟信号。在系统中采用A/D转换电路进行速度给定的采样。供电系统由48 V的蓄电池组供电，采用的电机为外转子无刷直流电机，其主要性能指标如下：额定转速为300 r/m，额定电压为48 V，额定功率为350 W。同时系统中还包括了其他的外围硬件电路。

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                                                   硬件介绍
    系统硬件主要包括MCU控制电路、电源电路、功率电路以及分立驱动电路。MCU控制电路主要完成核心的控制功能，包括驱动信号的输出以及A/D采样和各种保护功能；电源电路把48 V的主电源变换为系统所需的5 V和15 V控制电源；功率电路由6个功率MOSFET构成，采用NEC 2SK3435芯片，完成电机的功率驱动；分立驱动电路用于按照PWM输出驱动6路功率MOSFET，完成对电机的控制，采用分立驱动电路可有效地降低系统的成本。


                                         SVPWM分析
    电压空间矢量法（SVPWM）是从电动机的角度出发,着眼于使电机获得幅值恒定的圆形磁场。它以三相对称正弦波电压供电时交流电动机的理想圆形磁通轨迹为基准，用逆变器不同的开关模式产生的实际磁通去逼近基准磁通圆，从而达到较高的控制性能。与SPWM技术相比，SVPWM在电机的电流中产生的谐波较小并且提高了母线电压的利用率。
    实现SVPWM的方法有磁链圆轨迹法、电压矢量合成法等。在这里采用了电压矢量合成法，即采用2个非零矢量和1个零矢量合成一个等效的电压矢量。
    逆变器主回路(如图2)的6个开关管T1～T6可以形成8个开关量，分别对应8个空间矢量，以T1、T3和T5的开关状态来表示：000～111，1表示导通，0表示截止；而T2、T4、T6的状态与对应的T1、T3和T5正好相反，其中6种状态(001～110)为非零矢量，6种非零矢量输出电压，并在图2三相逆变器主回路电机中形成6个工作磁链矢量,以6种不同工作矢量所形成的实际磁链来追踪三相对称正弦波供电时定子上的理想磁链圆,即可得到PWM调制时的等效基准磁链圆,矢量图如图3所示。当输出电压矢量Vout旋转到某扇区时,由组成该扇区的两个非零矢量Vx、Vx+60分别作用ta、tb时间，时间分解如图3所示。为补偿Vout的旋转频

率，插入零矢量V111或V000，时间为t0。











    Vout=ta/TVx+tb/TVx+60+t0/T(V111或V000)
    Ｔ=ta+tb+t0
其中Ｔ为PWM周期。
    为了降低调制过程中的开关损耗，本系统采用了两相调制的方法，即在两个零矢量V111和V000中只采用V000作为调制中的零矢量，这样在任何一个区间内总有一相桥臂的下桥臂常通，而上桥臂常闭，从而降低了调制过程中的开关损耗。这种调制所形成的驱动波形如图4所示。







图4 两相调制SVPWM下的驱动波形




                                   单电阻采样方法及原理分析
    矢量控制方法需要检测电机的三相电流，传统的方法一般都采用电流传感器或者霍尔器件与电机的相线耦合直接检测相电流。为减少电流传感器的数量并且降低系统成本，系统采用如图5所示的电路检测电机的直流母线电流。






    在图5的电流采样电路中，根据开关状态的不同组合，可以得到相电流与母线电流的对应关系。图6为开关状态下的电流对应关系在①区间内UVW的状态为110，此时电流从U、V两相上桥臂流入经过W相流出，此时母线电流与W相电流大小相等，方向相反，即：iu=-idc。在②区间内UVW的状态为100，此时电流从U相上桥臂流入经过V、W两相的下桥臂流出，此时母线电流与U相电流大小相等，方向相同，即iu=idc。






    同理可以得到在不同的开关状态下的三相电流与母线电流的对应关系，如表1所示。






    根据表中所列的电流对应关系，选择通过定时器触发A/D转换就可以得到电机的三相电流值。
    值得注意的是，当开关状态持续的时间较短时，电流采样的精度会变差，因此需要采用非对称的PWM驱动波形来进行补偿以提高采样精度，会对系统的动态性能造成一定的影响。


                                        系统控制原理
    矢量控制的原理已经广泛应用于各种电机控制系统，本文不再对具体原理进行分析。下面根据系统的计算原理图（如图7）介绍系统的计算过程。






    首先，根据检测到的电动机转速和输入的参考转速，以及转速与转矩的关系，通过速度PI控制器计算出定子电流参考输入。定子三相相电流通过检测系统的母线电流按照电流重构的方法得出。然后，用Clark变换将它们转换到定子两相坐标系中，再使用Park变换将它们转换到d-q旋转坐标系中。将d-q坐标系中的电流信号与它们的参考输入Isq_ref和Isd_ref相比较，其中Isd_ref＝0。通过PI控制器获得理想的控制量。控制信号再通过Park逆变器，送到PWM逆变器，从而得到控制定子三相对称绕组的实际电流。外环速度环产生了定子电流的参考值，内环电流环得到实际控制信号，从而构成了一个完整的速度矢量控制系统。


                                        系统角度细分方法
    在BLDC中通常采用三个霍尔器件作为位置反馈信号。在这种情况下，每个360°区间内共有6种位置状态，每种状态持续60°电角度。为进行矢量控制运算，需要对角度进行细分。
    角度细分的方法如下：首先根据霍尔信号的触发沿得到当前时间，再与上一次沿触发的时间相减即可得到相邻两次沿触发的周期。由于在实际系统中霍尔信号或者永磁体分布不均匀，因此采用如图8中所示的方法计算霍尔中断的周期，从而消除系统所产生的误差。由上述可知：T=T1+T2+T3+T4+T5+T6，则：
   
再根据计算周期时间即可以得到每一个中断周期的角度实际值。






    在实际计算过程中由于计时的误差等因素会对实际角度的计算造成一定的偏差，在这种情况下，可采用PLL技术对计算所得到的Δθ进行补偿以取得更准确的位置角。


                                            软件流程
    系统软件主要包括以下各个功能块，分别实现不同的功能。HALL信号检测模块用以检测三相霍尔信号的电平变化，得到霍尔中断的周期，从而计算出电机的实际速度（作为速度反馈值）和Δθ的值(用以计算电角度)。电流检测模块用以检测电机的母线电流，根据触发A/D采样时刻的开关状态重构出电机的三相电流以进行电流的旋转变换。外围功能模块用以进行其他各种外围的检测和控制，包括各种保护功能等。定时中断模块为系统的核心模块，完成系统的各种计算功能，包括速度环PID运算、矢量旋转变换、电流环PI运算和SVPWM计算功能，其流程如图9所示。






    78K0R/IC3系列单片机是一种适合电机控制的专用驱动芯片，其实时处理能力强，运算速度快，且内部集成了电机控制的部分外围电路。本文根据电动自行车用无刷直流电机的控制要求设计了基于μPD78F1213的控制器，对电动自行车用无刷直流电机实现了180°正弦波控制。试验表明：78K0R/IC3系列芯片在处理速度和外部资源上都充分满足电机控制系统开发的需要，并且由于其内在的高集成度降低了控制系统的复杂性；在180°正弦波控制方式下，电机运行的转矩波动减小，机械噪声得到了很大的抑制，运行更加平稳。

scott_allen

NEC做变频的IC还是不少,现在比较流行的有TI德州半导体,瑞萨,DSPIC,英飞凌.还有就是台湾的凌阳也有!