FOC及无感控制的算法移植指南.docx

FOC及无感控制的算法移植指南1、 下载正确的FOC源代码目前市面上主流的能驱动电机的MCU。基本上都带有FOC库。很多公司还提供可以用于修改的FOC源代码。还有些甚至于提供了无位置算法的源代码。可以下载到代码的有ST，TI，MICROCHIP，NXP，RENESAS等芯片公司。直接到官网下载即可。为保证代码的可行性，最好从官网下载代码。不要从第三方下载。避免产生不必要的调试过程。2、 找到与芯片的硬件初始化相关的代码。ADC部分的初始化。不同的芯片，ADC工作模式不同。ADC的初始化方法以及数据采样方法不同。ADC的采样，根据电路结构不同。完全不同。单电阻采样模式。需要在一个三角波内，进行两次ADC采样。而且软件还要特殊处理。才能做到采集的数据。这种方式下。ADC需要有一个专用的定时器配合来实现ADC采样。两电阻或电流传感器方式下，ADC有两种模式可以实现。一种是在波峰或波谷的前后一点位置处，触发ADC采样。另一种方式，就是在定时器的波峰或波谷中断进入后，第一时间进行ADC采样。ST的ARM芯片CORTEX-M0系列，由于只有一组ADC单元，且ADC转换出来的结果只有一个缓冲区保证。所以，数据采集通常采用DMA的方式。将多个ADC采样到的数据缓存到一个ADC数组中。如M3或M4等系列。MCU有两组ADC单元。可以一次性采样两个通道。在波峰波谷中断的模式下，可以设成分时采样不同的通道。也可以用DMA方式采样（ST的2个ADC单元，输出结果地址是相连的。且刚好组成了一个32位数，用DMA方式，可以一次将两个ADC单元的结果全部采样出来。）RENESAS等芯片，ADC的输出结果是根据通道来设定的缓冲。因此，只需要触发ADC即可。ADC转换后的数据，分开存放在不同的寄存器当中。所以，这类芯片，可以省掉DMA的操作方法。定时器部分定时器根据电机的载频来设定。生成三角波（递增计数到设定值以后，开始递减计数）。需要处理的内容，分别是互补的死区设定、中断的方式（上溢中断、下溢中断、上/下溢中断）。中断的频率（16K的PWM频率，可以设定8K的电流或4K的电流环。利用中断次数控制来实现）。编码器部分不同的芯片，对于正交编码器的接口不同。接到不同的IO引脚上。然后选择正确的定时器资源来实现自动计数功能。FO保护（自动刹车控制）FO保护由IPM或IGBT驱动或单独设计的电路产生信号。通过专用的保护引脚来实现MCU自动关闭PWM输出。从而实现负载突然短路的情况下，快速关闭输出。保护电路不受影响。这个引脚，在很多芯片厂家，是有数字滤波参数可以设定。用来避免突然出现的小尖锋干扰。3、 FOC代码部分一般FOC代码函数分成：ADC采样处理，采样电机的电流，可以采样IA,IB,IC。也可以采样IA和IB（当然，采样IB和IC也可以，但需要计算一次得到。根据IA+IB+IC=0的公式可以根据其中的任意两项电流，求出第三相的电流。单电阻采样，也会生成IA和IB两组电流。Clarke变换，将ADC采样到的三相电流合成两相电流。生成I_alpha和I_beta两个电流。Park变换，将alpha和beta两个电流与电相度通过三角函数的方式。合成ID和IQ电流。InvPark变换（反Park变换），将VD和VQ转换成Valpha和Vbeta.InvClarke变换（反Clarke变换）,将Valpha和Vbeta转换成三相电压值。扇区计算，通过三相电压，计算出正确的扇区值。PWM数据输出，根据扇区值和三相电压值，计算出三路PWM值。4、 调试技巧1、 确认硬件的接入正常上电后，先对IA，IB，IC的输入AD进行监测。看看零点状态的AD是否正常。通常零点的AD都设在1/2的VCC附近。以12位的ADC为例，这个零点的ADC是2048正负100以内。然后，对母线电压的ADC进行监测。特别是用到了无位置或母线电压补偿的算法。对母线电压的准确性，要求比较高。母线电压太低或太高，都将导致输出的不正常（严重时，电机都无法运转）。最后，对于有位置传感器的硬件，旋转一下电机。查看一下编码器的A/B/Z，U/V/W输入信号是否正常。2、 确认IQ和ID的极性的正确。注：为防止硬件受损。程序做个最长时间的控制。进入PWM输出以后，最长工作时间设0.5秒到1秒。软件自动关闭输出。将PID控制部分屏蔽掉。给VD和VQ设一个固定值。可以试着设定5V。根据当前的母线电压。5/母线电压*VDVQ的最大值。例：母线是60V，VDVQ的最大值是32768，则设定VD=5/60*32768先设VD=5V，VQ=0，用软件示波器查看，电流检测的IA,IB或IC，I_alpha、I_beta，ID、IQ。正确的情况下，ID比IQ大很多,且IQ基本上趋于0,ID是正数的电流。刚开始电机可能会转一下。这是因为电机当前的角度不在0点附近。这个时候，ID会出现变化。但第二次以后，电机的停止位置处于0点附近。很明显的看到ID电流是一个直线。再设VQ=5V,VD=0,用软件示波器查看，可以看到IQ电流明显大于ID电流。且ID基本上趋于0。IQ电流是正数。通过以上操作。如果IQ和ID都是正常状态。则表示电流检测的软件和硬件是正确的。可以进入下一步操作。调试过程中，如果IQ和ID出现了电流是负数。有以下几种可能A、电流检测的方向出错。CurA = CurA_Offset - NowA或CurA = NowA - CurA_OffsetB、IA和IB的引脚对应错了。C、PWM的方向可能有错。三角波的PWM。0RPM输出的时候，PWM输出并不是0，而是载频周期的一半。以ST为例：PWM有两种模式。PWM1和PWM2两种模式下的数值刚好是反的。给PWM占空比赋值的时候，一种是直接把计算值输出。另一种是用周期-计算值输出。3、 强拖运转测试及电流检测标幺值检测当第一步完成以后，就要试着强拖一次。看看电机是否能正常运转。关键是针对有编码器的系统。查看一下电机运转方向所显示出来的编码器的AB方向是否正确。强拖测试，可以不需要任何传感器的介入。也不需要关心电机的UVW动力线是否连接正确。强拖的方法：首先，设一个固定大小的IQ数据，且初始的电角度为0。如果电机是空载，那么这个电流可以设为1A左右。这个电流下，持续1秒钟内，电角度始终为0，1秒钟以后，电流可以减少1/2，电角度按200RPM左右的速度增加。200RPM是机械角度。转换成电角度时，要乘以电机的极对数。通常折算每MS增加多少个电角度，以200RPM为例：=200/60*360/1000*PP，其中PP为电机的极对数。这样强拖10圈以上，就可以停止了。电流检测标幺值正确性验证：最好用两个电流探头（如果只有一个探头，可能需要多强拖几次，保证所采样的电流是正确的。最好把强拖关闭，只做定位），分别接到电机的动力线上。查看软件设定的1A电流，与实际的1A是否符合。如果不符合，则需要检查电流检测电路是否出问题或者放大倍数计算是否有误等。强拖环节的另一个关键点是，编码器数据的方向。如AB和UVW方向。因为强拖是角度增加，假定这个方向为正转。那么最好是AB是增加。如果AB是减少。有一个软件办法解决。（NOW_AB = 0XFFFF，仅限于16位计数器)，这样操作一下。可以改变极性。4、 速度传感器的加入采用增量式编码器的系统。速度计算，有两种方法M和T。分别是采样脉冲宽度（用于低速检测）和脉冲个数（中高速）。简单的操作，直接采用T（计数）方法。由于低速比较难统计到个数。因此，速度采样通常设为2MS采样一次。以200RPM且编码器为360线为例：=200/60*（360*4）/1000*2,则每2MS，AB变化9.6个。速度计算采用AB个数*AB/1MS对应的速度。1AB/(360*4)*1000*60=41.6666RPM，由于是2MS采样一次，所以AB/2MS=20.8333RPM，因为是小数，采用Q8格式以后=5333，若2MS内，变化AB个数为10个，=10*5333/256=208RPM由于低速时，AB个数变化对速度的统计影响比较大。因此，通常将速度计算分成高速和低速两种计算结果。低速计算时，加入一级低通滤波。这样得到的低速就会比较平滑一些。做低速控制时，电机不容易抖动。5、 位置传感器的加入（扇区） 当系统加入了UVW扇区位置检测以后，可以使得电机启动时，直接在扇区内启动，无需再增加定零位了。相当于已知当前的电角度，可以快速启动。针对UVW扇区传感器，有两种操作方式。一种是UVW传感器的安装位置与转子位置是完全固定的。因此，任意互换电机后，角度是基本上一致的。还有一种是UVW传感器的安装与转子位置并非完全一致。碰到这种情况，就需要将这个电机的UVW信息与电角度做配对操作。实际上，无论是哪一种安装方式。第一次使用FOC的时候，都有一个配对的过程。这个过程，实际上也是利用强拖来完成。以下方法，适用于带AB的系统操作。强拖开始时，有个定位过程。这个过程是强制电机运转到零位。为了操作简单化，UVW的配对操作。定位时，采用ID=设定。IQ=0的方法。这样的操作，是为了方便后续的电角度直接使用。针对带AB的系统。强拖定位时间完成时，将AB的当前计数清零。将当前的UVW信息存储起来。强拖过程中，对UVW信息进行连续检测。当检测到的UVW信息与存储起来的UVW信息不同时，将当前的AB角度、扇区UVW信息存起来。并更新UVW存储信息。当连续检测到2个或以上的机械角度以后。停止强拖。开始统计信息。统计时，第一步将AB角度转换成电角度。超过一圈电角度的，取电角度的模。第二步将多组电角度进行求平均处理。得到每个扇区所对应的电角度数据。第三步将这些数据存储起来，写入FLASH或EEPROM中。做为以后运转的计算用。后续电机启动时，根据当前的扇区号。取出当前扇区的数据和下一个扇区的数据，两者相加除2（程序要处理数据越界现象），得到中间角度值。然后，以这个角度值，直接启动即可。且要求在检测到下一个UVW信号沿的时候，更新一次角度（根据电机的运转方向，赋不同方向UVW所对应的电角度的边沿值）。5、 其它技巧1、 编码器AB个数的处理。在使用编码器的AB计数时，可以利用数字溢出的原理来解决极性问题。使用16位的寄存器全员值，0-65535，本次的计数减去上一次的计数，得到一个Delta_AB。正转的时候，这个数字会是正向增加的。用一个有符号的16位数据来处理这个数据，非常简单。机械角度，旋转一圈以后，CPR*4，刚好是一圈的机械AB个数。超过这个数据的时候，即进入下一圈的角度了。机械角度也一直累加Delta_AB即可。当超过CPR*4时，减去一个CPR*4即可。当数据小于0时，加一个CPR*4即可。2、 Q格式在计算过程中，经常会出现小数。但便宜单片机往往不支持浮点运算。因此。必须使用Q格式来完成计算。但Q格式在使用时，一定要注意。Q格式运算是有损的。Q格式的格式越大，计算的变量越大。如果超过64位。则很难参考计算。所以，Q格式计算时，往往需要根据变量的有效范围，预先计算好Q格式的范围。如果数据结果是16位，数据源在256以内，那么Q格式最大不能越过8，否则就会出现越界现象。Q格式在数据计算时，因为精度有限，长时间累加的时候，容易出现数据慢慢丢失的现象。精度要求高一的点的计算。通常保留Q格式的小数部分。