感觉身体被掏空!只因为肝了这篇空间矢量控制算法

2023-12-26 06:10

本文主要是介绍感觉身体被掏空!只因为肝了这篇空间矢量控制算法,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

前面的话

之前做了一个项目,参考了开源项目本杰明电调(去GitHub搜VESC)或者simpleFOC也不错,总之都挺香;换做自己写,原本以为会挺简单的,没想到入坑了,而且还挺深的,烧了不少片子,烧了不少板子,感觉身体被掏空,总结一下整个算法的流程;另一篇文章是《小众却真香,电机矢量控制电流采样方案的抉择》,可以帮我增加点;

0 目录

  • 1 前言

  • 2 FOC算法架构

  • 3 坐标变换

  • 4 SVPWM

  • 5 反馈部分

  • 6 闭环控制

  • 写在最后

1 前言

Field Oriented Control 磁场定向控制 (FOC),FOC是有效换向的公认方法。FOC的核心是估计转子电场的方向。一旦估计了转子的电角度,就将电动机的三相换相,以使定子磁场垂直于转子磁场。本文参考了TImicrochip的相关文档,基于STM32F103系列单片机实现了带编码器的FOC算法,实现了对通用伺服电机(表贴式PMSM)的控制。

2 FOC算法架构

FOC算法的整体架构如下图所示,采用了双闭环的控制系统,包括速度环和电流环,也叫转矩环,而传统的伺服驱动器还需要位置环,图中并未给出,这个后面另外描述,反馈部分采用双电阻采样,和增量编码器。所以,从上图可以了解到,实现FOC算法总共需要以下几个部分;

  • 坐标变换,由于PMSM是非线性的复杂系统,为了实现控制上的解耦,需要进行坐标变换;

    • Clark变换;

    • Park变换;

  • SVPWM模块;

  • 反馈量采集部分

    • 相电流采集

    • 编码器信号采集

  • 闭环控制部分可以分为三个环节;当然,根据需求,双闭环也比较常见;

    • 位置环

    • 速度环

    • 电流环

下面会对每个环节的关键部分做一下介绍,具体的实现与细节由于篇幅有限会另外开篇幅做介绍。

3 坐标变换

三相坐标到静止坐标系 坐标系可以分为恒幅值变换和恒功率变换,两者的主要区别就是变换系数不同,下文统一使用恒幅值变换。

3.1 Clark变换

三相电流ABC分别为 ,根据基尔霍夫电流定律满足以下公式:

静止坐标系 轴的电流分量为 ,则Clark变换满足以下公式:

3.2 Park变换

Park变换的本质是静止坐标系 乘以一个旋转矩阵,从而得到 坐标系,其中;

  • 轴又叫直轴,方向与转子磁链方向重合;

  • 轴又叫交轴,方向与转子磁链方向垂直;

所以,帕克变换又叫交直变换,由静止坐标系 上的交流量最终变换到 坐标系上的直流量;Park变换满足以下公式;

3.3 Park反变换

Park又叫直交变换,满足以下公式:

4 SVPWM

实际的马鞍波如下图所示;

5 反馈部分

反馈部分需要采集相电流,电角度和速度,如下图所示;
色曲线表示
色曲线表示
色曲线表示电角度

图中黄色箭头所指的点,可以看到满足以下条件:

5.1 相电流

相电流采样通常有三种方案;

  • 单电阻采样;

  • 双电阻采样;

  • 三电阻采样;

5.2 电角度和转速

电角度的测量需要通过对编码器进行正交解码,STM32TIM定时器自带编码器接口,可以很轻松实现对正交编码器的正交编码;

6 闭环控制

6.1 电流环

最终给出电流闭环的结构,如下图所示;

红色曲线表示
黄色曲线表示  
粉色曲线表示  
蓝色曲线表示  

由于使用的表贴式PMSM,满足以下条件:

所以, 轴和 轴可以共用同一套PI参数,可以通过经验试凑法进行参数整定,或者可以通过测量电机参数,计算PI参数的大致范围,然后再进行细调。

6.2 速度环

速度响应曲线

电流环调节稳定之后,速度环需要调整速度PI控制器,这里可以参阅如何调试PI参数。

6.3 位置环

红色曲线表示给定位置;黄色曲线表示实际位置;粉色曲线表示给定转速;蓝色曲线表示实际转速;

写在最后

代码量倒不是很大,感觉还是硬件上的坑,经过一段时间的调试,终于完成了从零到一的FOC算法框架,由于能力有限,有的地方理解不到位,需要细加斟酌,如有错误的地方,希望斧正,另外由于FOC内容较多,篇幅较长,时间有限,后续会进一步进行补充,细节的部分以后有时间再单独开篇进行讨论。

—— The End ——

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