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2010 Microchip Technology Inc. DS01078B_CN 1 AN1078 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 ControllerDSC)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 ControlFOC)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 MotorPMSM)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。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。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 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 ModulationPWM模数转换器 (Analog-to-Digital ConverterADC正交编码器接口 (Quadrature Encoder InterfaceQEI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 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)。 作者: Jorge Zambada Debraj Deb Microchip Technology Inc. PMSM 的无传感器磁场定向控制

Sensorless Field Oriented Control of PMSM

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Text of Sensorless Field Oriented Control of PMSM

Sensorless Field Oriented Control of PMSM Field Oriented Control FOC
Microchip dsPIC® DSC Permanent Magnet Synchronous Motor PMSM FOC
FOC
FOC
PMSM FOC FOC PMSM PMSM

• Pulse-Width Modulation PWM
• Analog-to-Digital Converter ADC
MAC dsPIC DSC dsPIC DSC
dsPIC DSC A/D —— dsPIC DSC ADC 1 Msps ADC PWM A/D
Jorge Zambada Debraj Deb Microchip Technology Inc.
2010 Microchip Technology Inc. DS01078B_CN 1
AN1078

• AC Induction Motor ACIM
• Brushed DC Motor BDC
• Brushless DC Motor BLDC
• Permanent Magnet Synchronous Motor PMSM
dsPIC DSC “” Microchip www.microchip.com
dsPIC DSC PWM ADC PMSM dsPIC DSC DSP

Data Monitor and Control InterfaceDMCI MPLAB® IDE IDE /
DMCI
• 35 2
• 4 3


• 500 17000 RPM
• 50 µs 21 MIPS CPU CPU 2/3
• 450 6K dsPIC33FJ12MC202 dsPIC33F

AN1078
AN1078

4
5 3
Power Factor Correction PFC
dsPICDEM™ MCLV DM330021 50 VDC dsPICDEM™ MCHV DM330023 400 VDCMicrochip www.microchip.com
4
http://www.microchip.com
AN1078




1. 3 ia ib Ic ia + ib + ic = 0
2. 3 2 iα iβ ia ib ic iα iβ
3. 2 iα iβ Id Iq Id Iq IdIq
4. IdIq
• Id
• Iq
• Vd Vq
5. vα vβ iα iβ FOC
6. PI Vd Vq vα vβ
7. vα vβ 3 vavb vc 3 PWM 6 PI PWM

AN1078
AN1078

PI 3
dsPIC DSC 3 Microchip
AN1299 PMSM FOC DS01299A_CN
Clarke
Clarke 3 2 2 7 ia ib ic
7 CLARKE
Park
α β 2 2 Park 8 2 d- q θ
8 PARK
9 PI
ia + ib + ic = 0 iα = ia iβ = (ia +2ib)/√ 3
β b
Id = iα cosθ + iβ sinθ Iq = -iα sinθ + iβ cosθ
β q
α iα
InRef

Err = InRef - FB U = Sum + Kp.Err If (U > Outmax) Out = Outmax else if (U < Outmin) Out = Outmin else Out = U Excess = U - Out
Sum = Sum + (Ki.Err)-(Kc.Excess)
AN1078
PID
Proportional Integral Derivative PID PID
PID PID
PID
P P PID P
P P
PID I I I PID I
PID D D D PID D
D PID D I D D PWM
PID
PID P I D 0 P P “”“”
P I I I P IP
Kc Ki
UserParms.h SVGen()

PI Id Iq Id Iq
Park
PI d-q 3 2 d-q 2 α-β Park 10
10 PARK
β q
α Vα
AN1078
Clarke
2 α-β 3 3 Clarke 11
11 CLARKE
SVM
3 Space Vector ModulationSVM SVM Clarke
+- 23 = 8 1
+ - SVM 60 12
12 SVM
SVM 13 UOUT U60 U0
PWMTU0T1/TU60 T2/TUOUT
13 SVM
T0 Clarke T1 T2 Vα Vβ SVM 30 T1 T2 CalcRef.s SVGen.s
14 PWM T T1 T1/T T2 T2/T dsPIC DSC PWM PWM


Vr1
β Vr2
UOUT = (T1/T.U0) + (T2/T.U60)
AN1078
14 T PWM
C B A Vab Vbc Vca Vds Vqs
0 0 0 0 0 0 0 0 U(000)
0 0 1 VDC 0 -VDC 2/3VDC 0 U0
0 1 1 0 VDC -VDC VDC/3 VDC/3 U60
0 1 0 -VDC VDC 0 -VDC/3 VDC/3 U120
1 1 0 -VDC 0 VDC -2VDC/3 0 U180
1 0 0 0 -VDC VDC -VDC/3 -VDC/3 U240
1 0 1 VDC -VDC 0 VDC/3 -VDC/3 U300
1 1 1 0 0 0 0 0 U(111)
PWM1
PWM2
PWM3
T
AN1078
FOC θ ω
FOC 16

15
W M
A /D
A /D
AN1078
F G
2
R L F G 2 L Hurst 20 kHz 5.34Ω 3.84 mH
3
• is
• vs
• es
• R
• L
• Ts
• z

Ts ----------------------------
is n 1+( ) 1 Ts R L ---•–
is n( ) Ts L --- vs n( ) es n( )–( )+=
G = T L s
G = T L s
F 1 Ts R L ---• 1
1 20αkHz ------------------–
3.84αmH( ) 2⁄ --------------------------------- 0.026===
AN1078

vs is* is es* es
17
+Kslide -Kslide
SMC SMC +1 -1 SMC K SMC Z isis*

Vsis* Zes* 18 es* es* eα eβ es θ*
*
PMSM is

AN1078
is* thetaθ*

19 THETA
eα eβ θ theta 5
5 THETA
arctan eα eβ
efiltered* s θ*
y n( ) y n 1–( ) T2πfc x n( ) y n( )–( )•+=
z e* 8 kHz fpwm

z(n) =
e n( ) e n 1–( ) 1 fpwm ----------- 2πfc• z n( ) e n( )–( )+=
eα eβ Q 1
|||||||||||||||||||| |||||||||||||||||||| |||||||||||||||||||| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
AN1078

1. theta
2. 20
m theta 6
6

Omega ω* FilteredOmegaω*filtered



Z es* es*efiltered*s 7
20
Omega (ω) =
Kspeed =
m
i 0=
m 1–
AN1078

eRPS = (RPM .Pole_Pair)/60 --- (4)
(5) (4)
eRPS = (Q15(Omega) .60 .Pole Pairs)/(SpeedLoopTime . Pole Pairs.2 .60)
eRPS = Q15(Omega)/(SpeedLoopTime .2) --- (6)
Kslf = Tpwm . 2 . PI .Q15(Omega)/(SpeedLoopTime .2) --- (7)

Kslf = Tpwm. 2 .Q15(Omega) .PI/(IRP_PERCALC .Tpwm .2)

PMSMd
BEMFBEMF ΚΦ ΚΦ
PMSM Id 0
UserParms.h Id dqKFw0 dqKFw15
UserParms.h NOMINALSPEEDINRPM FIELDWEAKSPEEDRPM
FieldWeakening CtrlParm.qVelRef UserParms.hNOMINALSPEEDINRPM

Q15abs(CtrlParm.qVelRef) CtrlParm.qVdRef
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PI PI Q PI
RPM UserParms.h //#define TORQUEMODE
23
23

SPEEDDELAY
2010 Microchip Technology Inc. DS01078B_CN 19
AN1078

PI Q PI
RPM UserParms.h //#define TORQUEMODE
24
VdVqPark UserParms.h #define ENVOLTRIPPLE
8 D 25 26 D Q
24
CtrlParm.qVelRef CtrlParm.qVqRef
----------------------------------------------------------- PIParmD qOut••+=
If(TargetDCbus > DCbus)
DCbus =
TargetDCbus =
----------------------------------- PIParmD qOut••=
If(DCbus > TargetDCbus)
AN1078
D

1 PIParmD.qOutD PI ParkParm.qVd 2 PIParmD.qOut VoltRippleComp
ParkParm.qVd
ParkParm.qVqPIParmQ.qOut
1 PIParmQ.qOutQ PI ParkParm.qVd 2 PIParmQ.qOut VoltRippleComp
ParkParm.qVd
AN1078

FOCPWM PWM A/D A/D 27 A/D
27 A/D
28
Park
2

AN1078

FOC 29
/ dsPIC DSC FOC Id Iq theta
theta FOC theta 6
29
AN1078

FOC 30 /dsPICDEM MCLVS2 Iq Idtheta
FOC SMC theta FOC /
Motor Stopped S2
30





AN1078
DSC FOC PMSM

Intellectual Property IP A FOC B C

DSC FOC dsPIC DSC MCU
IDEDMCI PMSMBLDCBDC ACIM

• AN908 dsPIC30F DS00908A_CN
• GS004 dsPIC® DSC MCPWM DS93004A_CN
• AN1206 ACIM FOC DS01206A_CN
• AN1162ACIM FOCDS01162A_CN
BLDC
• AN1160 BLDC DS01160A_CN
PMSM
• AN1017 dsPIC30F DSC PMSM DS01017A_CN
• AN1292 PLL FW PMSM FOC DS01292A_CN
• AN1299PMSM FOC DS01299A_CN

dsPICDEM MC1
• “dsPICDEM™ MCLV Development Board User’s Guide” DS70331
• “dsPICDEM™ MCHV Development System User’s Guide”DS70605
• “dsPICDEM™ MCSM Development Board User’s Guide”DS70610
• “dsPICDEM™ MC1 Motor Control Development Board User’s Guide”DS70098
• “dsPICDEM™ MC1H 3-Phase High Voltage Power Module User’s Guide”DS70096
• “dsPICDEM™ MC1L 3-Phase Low Voltage Power Module User’s Guide”DS70097
Microchip www.microchip.com
2010 Microchip Technology Inc. DS01078B_CN 25
A
• dsPICDEM™ MCLV DM330021
• dsPICDEM™ MCHV DM330023



- “” 1.5 kw
-
- “”
- “”


• Microchip
Microchip
Microchip Microchip
Digital Millennium Copyright Act

Microchip Technology Inc.


Microchip
/
Microchip Microchip

Microchip Microchip dsPIC
KEELOQ KEELOQ MPLAB PIC PICmicro PICSTART PIC32 rfPIC UNI/O Microchip Technology Inc.
FilterLab Hampshire HI-TECH C Linear Active ThermistorMXDEVMXLABSEEVAL The Embedded Control Solutions Company Microchip Technology Inc.
Analog-for-the-Digital Age Application Maestro CodeGuard dsPICDEM dsPICDEM.net dsPICworks dsSPEAK ECAN ECONOMONITOR FanSense HI-TIDE In-Circuit Serial Programming ICSP Mindi MiWiMPASMMPLAB Certified MPLIBMPLINK mTouch Omniscient Code Generation PICC PICC-18 PICDEM PICDEM.net PICkit PICtail REAL ICE rfLAB Select Mode Total Endurance TSHARC
UniWinDriver WiperLock ZENA Microchip Technology Inc.
SQTP Microchip Technology Inc.

ISBN978-1-60932-779-8
Microchip Chandler Tempe Gresham ISO/TS-16949:2002 PIC®
MCU dsPIC® DSCKEELOQ® EEPROM ISO/TS- 16949:2002Microchip ISO 9001:2000
DS01078B_CN 28 2010 Microchip Technology Inc.
Corporate Office 2355 West Chandler Blvd. Chandler, AZ 85224-6199 Tel: 1-480-792-7200 Fax: 1-480-792-7277 http://support.microchip.com www.microchip.com
Atlanta Duluth, GA Tel: 1-678-957-9614 Fax: 1-678-957-1455
Boston Westborough, MA Tel: 1-774-760-0087 Fax: 1-774-760-0088
Chicago Itasca, IL Tel: 1-630-285-0071 Fax: 1-630-285-0075
Cleveland Independence, OH Tel: 1-216-447-0464
Fax: 1-216-447-0643
Detroit Farmington Hills, MI Tel: 1-248-538-2250 Fax: 1-248-538-2260
Kokomo Kokomo, IN Tel: 1-765-864-8360 Fax: 1-765-864-8387
Los Angeles Mission Viejo, CA Tel: 1-949-462-9523 Fax: 1-949-462-9608
Santa Clara Santa Clara, CA Tel: 1-408-961-6444 Fax: 1-408-961-6445
Toronto Mississauga, Ontario, Canada Tel: 1-905-673-0699 Fax: 1-905-673-6509

Asia Pacific Office Suites 3707-14, 37th Floor Tower 6, The Gateway Harbour City, Kowloon Hong Kong Tel: 852-2401-1200 Fax: 852-2401-3431
- Tel: 86-10-8569-7000 Fax: 86-10-8528-2104
- Tel: 86-28-8665-5511 Fax: 86-28-8665-7889
- Tel: 86-23-8980-9588 Fax: 86-23-8980-9500
- Tel: 852-2401-1200 Fax: 852-2401-3431
- Tel: 86-25-8473-2460 Fax: 86-25-8473-2470
- Tel: 86-532-8502-7355 Fax: 86-532-8502-7205
- Tel: 86-21-5407-5533 Fax: 86-21-5407-5066
- Tel: 86-24-2334-2829 Fax: 86-24-2334-2393
- Tel: 86-755-8203-2660 Fax: 86-755-8203-1760
- Tel: 86-27-5980-5300 Fax: 86-27-5980-5118
- Tel: 86-29-8833-7252
- Tel: 886-7-213-7830

Australia - Sydney Tel: 61-2-9868-6733 Fax: 61-2-9868-6755
India - Bangalore Tel: 91-80-3090-4444 Fax: 91-80-3090-4123
India - New Delhi Tel: 91-11-4160-8631 Fax: 91-11-4160-8632
India - Pune Tel: 91-20-2566-1512 Fax: 91-20-2566-1513
Japan - Yokohama Tel: 81-45-471- 6166 Fax: 81-45-471-6122
Korea - Daegu Tel: 82-53-744-4301 Fax: 82-53-744-4302
Korea - Seoul Tel: 82-2-554-7200 Fax: 82-2-558-5932 82-2-558-5934
Malaysia - Kuala Lumpur Tel: 60-3-6201-9857 Fax: 60-3-6201-9859
Malaysia - Penang Tel: 60-4-227-8870 Fax: 60-4-227-4068
Philippines - Manila Tel: 63-2-634-9065 Fax: 63-2-634-9069
Singapore Tel: 65-6334-8870 Fax: 65-6334-8850
Thailand - Bangkok Tel: 66-2-694-1351 Fax: 66-2-694-1350
Austria - Wels Tel: 43-7242-2244-39 Fax: 43-7242-2244-393
Denmark-Copenhagen Tel: 45-4450-2828 Fax: 45-4485-2829
France - Paris Tel: 33-1-69-53-63-20 Fax: 33-1-69-30-90-79
Germany - Munich Tel: 49-89-627-144-0 Fax: 49-89-627-144-44
Italy - Milan Tel: 39-0331-742611 Fax: 39-0331-466781
Netherlands - Drunen Tel: 31-416-690399 Fax: 31-416-690340
Spain - Madrid Tel: 34-91-708-08-90 Fax: 34-91-708-08-91
UK - Wokingham Tel: 44-118-921-5869 Fax: 44-118-921-5820

07/15/10

FOC