空间矢量调制SVPWM算法在Renesas单片机课件.ppt

1、永磁同步电机控制展望与电机转子位置估算 研究中心郭西龙2015-06-16内容提要 1.直流无刷电机几种控制方式比较 2.直流无刷电机控制展望 3.SVPWM控制基本原理 4.FOC控制基本原理 5.永磁同步电机转子位置估算滑模观测器算法六步换相法的原理PWM直流无刷电机几种控制方式比较SPWM的原理直流无刷电机几种控制方式比较SVPWM框图直流无刷电机几种控制方式比较FOC框图直流无刷电机几种控制方式比较DTC控制方式直流无刷电机几种控制方式比较矩阵式交交变频控制方式直流无刷电机几种控制方式比较几种电机控制方式的异同1.六步换相法PWM(Sinusoidal Pulse Width Modu

2、lation)，控制简单实用,是较通用的直流无刷电机控制方式，在要求不高的行业得到了普遍使用。成本低，入门快，但噪声较大，动态响应差，不方便位置控制。.SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation)的信号波为正弦波，就是正弦波等效成一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，其脉冲宽度是由正弦波和三角波自然相交生成的。SPWM虽然可以得到三相正弦电压，但直流侧的电压利用率较低，这是此方法的最大的缺点，噪声较六步换相法(PWM)控制有明显改善，效率也略高。.SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation)的出发点与SPWM不同，SPWM调制

3、是从三相交流电源出发，其着眼点是如何生成一个可以调压调频的三相对称正弦电源。而SVPWM是将逆变器和电动机看成一个整体，用八个基本电压矢量合成期望的电压矢量，建立逆变器功率器件的开关状态，并依据电机磁链和电压的关系，从而实现对电动机恒磁通变压变频调速。若忽略定子电阻压降，当定子绕组施加理想的正弦电压时，由于电压空间矢量为等幅的旋转矢量，故气隙磁通以恒定的角速度旋转，轨迹为圆形。SVPWM和SPWM的性能接近，但SVPWM电压利用率高15%，这是两者最大的区别。两者在谐波的大致方向上是一致的，只不过SPWM易于硬件电路实现，而SVPWM更适合于数字化控制系统。直流无刷电机几种控制方式比较4.FO

4、C(Field-Oriented Control)是建立在SVPWM基础上，增加了电流环的闭环回路。而SVPWM的电流是开环控制，在控制中一般Vd设定为0，Vq根据速度反馈调整，但由于PARK反变换中给定的静止坐标系和dq旋转坐标系夹角的误差及齿槽效应的影响等，得出的结果不一定准，所以SVPWM 对电机要求较高，否则要针对电机调整参数。噪音方面FOC和SVPWM类似，都很低；若增加编码器，动态响应都较高，可实现位置控制；由于增加了电流环，FOC的效率和可靠性较SVPWM 高矢量控制变频调速的做法是将交流电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic通过三相-二相变换，等效成两相静止坐标系下的交

5、流电流 I、I，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Id、Iq(Id相当于直流电动机的励磁电流；Iq相当于与转矩成正比的电枢电流)，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对交流电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。几种电机控制方式的异同2直流无刷电机几种控制方式比较5.DTC(Direct Torque Control)控制其实质不是间接地控制电流、

6、磁链等量，而是把转矩直接做为被控制量来实现的。因而不需矢量旋转变换中的许多复杂变换。DTC控制具有快速的转矩响应、很高的速度精度、高转矩精度，其最大缺陷是转矩脉动大。为克服此缺点又发展了DTC和矢量控制相结合的控制算法SVM-DTC控制。1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许

7、多复杂计算;它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。6.矩阵式交交变频控制方式：前种控制方式都是交直交变频中的一种，其共同缺点是输入功率因数低、谐波电流大、直流回路需要大的存储电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。矩阵式交交变频控制方式能克服以上弱点，由于其省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵、寿命短的电解电容。它能实现功率因数为1，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。目前该技术尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。几种电机控制方式的异同3直流无刷电机几种控制方式比较1.正弦化，随着MCU高速化发展，算法实现不是问题，价格也

8、越来越低，正弦化不可避免。像ARM的M0单片机价格与8位机价格差不多，很多公司都有推出，完全可以实现正弦控制。ST、新唐、NXP、FREESCALE等厂家有推出2.集成化，把单片机、驱动、动率、DC-DC等全部或部分集成在一个芯片上。特别适合小型内嵌型电机。TI、罗姆等都有推出。3.智能化，电机参数识别、自适应。4.通讯接口多样化，UART、422、485、CAN等。5.开关磁阻电机代表另一个发展方向。直流无刷电机控制展望直流无刷电机控制展望AD转换和PWM占空比调整要足够快，对于限流每个PWM周期都调整占空比，避免刹车和堵转时电流过大而进入保护状态或损坏MOS。BLDC控制力矩与电流成正比，

9、为了较小噪音和震动，尽可能减小电流脉动，在换相时增加电流补偿。BLDC六步法控制心得BLDC六步法控制心得 FOC是建立在SVPWM基础上的，如FOC框图中，得到V、V后，通过SVPWM，计算出六路PWM的占空比驱动功率器件。FOC控制基本原理 黎工给我们讲过SVPWM的课，下面我们参考他的课件学习一下SVPWM的内容。FOC与SVPWM的关系六步换相法的原理 一种三相BLDC的结构原理示意图六步换相法的原理 以向量的观点来分析六步换相法，对于三相电机，不管是交流电机，感应电机还是BLDC，其线圈都是按如下方式排列：在结构上保证电角度互差120度六步换相法的原理 由于六步换相法只能产生六种基本

10、向量。比如下面所示的电压向量（120度导通型）。六步换相法的原理 180度导通型，图中括号内数字代表A,B,C三相的开关状态，1代表上管开，下管关；0代表上管关，下管开。六个基本电压空间矢量和两个零矢量如下图所示。六步换相法的原理 转子实际上是进行圆周运动，从上面的描述我们可以知道，转子在转过60度电角度内，定子磁场都只能产生一个固定方向的驱动力（因为每60度电角度只产生一个电压矢量），这就使得定子只能产生正六边形旋转磁场，从而导致转矩脉动。为了取得更好的驱动效果，最好能在每个60度电角度内发出更多的电压矢量，从而形成更多边型的旋转磁场，使之逼近圆形。通常采用SVPWM方式实现上述目的。SVP

11、WM原理 SVPWM，即空间矢量PWM，英文全称是Space Vector PWM。其原理是采用六个基本空间矢量中相邻的两个，通过线性组合的方式，来产生任意角度的合成矢量。从应用的角度来说，我们希望在知道所需产生的合成矢量的角度和幅值的情况下，获得用于合成的两个基本矢量及每个矢量的作用时间。SVPWM原理 以180度导通型为例，不同的开关组合可以得到6个互差60度的基本空间矢量SVPWM原理空间矢量调制可采用相邻两个基本空间矢量的矢量和来表征任一合成矢量。在下图 中，Uout 是期望的合成矢量。该矢量位于U60 和U0 之间的区间内。如果在给定的PWM 周期T 内，U0 的输出时间为T1/T

12、而U60的输出时间为T2/T，则整个周期内的平均矢量将为Uout。Tpwm=t1+t2+t0t0为零矢量作用时间。SVPWM原理如图 中所示，在PWM 周期T 中，矢量T1 输出时间为T1/T，矢量T2 输出时间为T2/T。在一个周期内的剩余时间内将输出空矢量。MCU 器件配置为中心对齐PWM 模式，即强制沿周期中心对称。这种配置将在每一个周期内产生两个线线脉冲。有效的开关频率加倍了，在不增加功率器件开关损耗的情况下可降低纹波电流。SVPWM原理 定义U0为0度，矢量逆时针旋转为正方向（即U60=60度，U120=120度），则各矢量合成方法如下：扇区0（060度）,各相占空比分配如下：A相=

13、t1+t2+t0/2B相=t2+t0/2C相=t0/2SVPWM原理SVPWM原理扇区1（60120度）,各相占空比分配如下：A相=t1+t0/2B相=t1+t2+t0/2C相=t0/2SVPWM原理扇区2（120180度）,各相占空比分配如下：A相=t0/2B相=t1+t2+t0/2C相=t2+t0/2SVPWM原理扇区3（180240度）,各相占空比分配如下：A相=t0/2B相=t1+t0/2C相=t1+t2+t0/2SVPWM原理扇区4（240300度）,各相占空比分配如下：A相=t2+t0/2B相=t0/2C相=t1+t2+t0/2SVPWM原理扇区5（300360度）,各相占空比分配

14、如下：A相=t1+t2+t0/2B相=t0/2C相=t1+t0/2矢量控制的起源 我们知道直流电机有优良的动静态调速特性。能不能使交流电机（直流无刷电机本质也是交流电机，电机本体流过的是交流电）调速系统像直流电机一样去控制呢？矢量控制方法给出了肯定的答案。矢量控制理论是由德国的F.Blaschke在1971提出，40年后的今天广泛应用在电机控制领域。任何电动机的电磁转矩都是由主磁场和电枢磁场相互作用而产生的。因此，为了弄清交流电动机的调速性能为什么不如直流电动机的原因，我们将分析直流电动机的磁场。直流电动机的励磁电路和电枢电路是相互独立的；主磁场和电枢磁场在空间是互差90度电角度；因此可以通过

15、独立地调节两个磁场中的一个来进行调速。矢量控制的实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。FOC控制基本原理产生旋转磁场的3种方法三相旋转磁场1三相旋转磁场FOC控制基本原理 众所周知，任意多相绕组通过以多相平衡的电流，都能产生旋转磁场。为了找出在三相交流电动机上模拟直流电动机控制转矩的规律，对下面3种旋转磁场进行分析。产生旋转磁场的3种方法三相旋转磁场2三相旋转磁场FOC控制基本原理产生旋转磁场的3种方法两相旋转磁场1两相旋转磁场FOC控制基本原理产生旋转磁场的3种方法

16、两相旋转磁场2两相旋转磁场FOC控制基本原理产生旋转磁场的3种方法旋转体的旋转磁场旋转体的旋转磁场两个旋转体上流过的直流电流两个旋转体上流过的直流电流FOC控制基本原理3种方法的等效转换产生3种旋转磁场的电流波形如果用上述3种方法产生的旋转磁场是相同的，则认为这时的三相磁场、两相磁场、旋转直流磁场系统是等效的。因此，这3种旋转磁场之间可以进行等效转换。通常，把三相交流系统向两相交流系统的转换称为Clarke变换，或称3/2变换；两相系统向三相系统的转换称为Clarke逆变换，或称2/3变换；把两相交流系统向旋转直流系统的转换称为Park变换，或称交/直变换；旋转直流系统向两相交流系统的转换称为

17、Park逆变换，或称直/交变换。FOC控制基本原理矢量坐标变换示意图1FOC控制基本原理矢量坐标变换示意图2ST库文件采用的坐标变换示意图，很显然他们坐标轴与我们上面提到的坐标方向相反，其他的都一样。FOC控制基本原理FOC控制框图 STFOC控制基本原理CLARKE变换Clarke变换(或3/2变换)公式：Clarke逆变换(或2/3变换)公式：FOC控制基本原理CLARKE变换-STClarke变换(或3/2变换)公式：FOC控制基本原理PARK变换Park变换(或交/直变换)公式：Park逆变换(或直/交变换)公式：FOC控制基本原理PARK变换-STPark变换(或交/直变换)公式：P

18、ark逆变换(或直/交变换)公式：FOC控制基本原理CLARKE逆变换-ST的SVPWM 1FOC控制基本原理CLARKE逆变换-ST的SVPWM 2FOC控制基本原理FOC控制电机相电压波形图FOC控制基本原理FOC控制与SVPWM控制一样，相电压波形不是正弦波，而是马鞍形（滤去PWM高频），但线电压由于相电压谐波分量的抵消，还是正弦波。FOC控制电机相电压波形图分解FOC控制基本原理据分析，相电压是基波分量和三次三角波分量的合成。FOC控制心得FOC控制心得1.关于无传感器控制，启动是最大的问题，设定好启动曲线很关键。2.PCB布线很重要，若布线不合理，可能启动不起来。3.高压电机，霍尔做

19、为位置反馈，最好提高霍尔供电，以提高抗干扰。FOC控制心得FOC控制心得4.PI参数调整，开始设计时参数设定较随意，后来写了个通讯软件，可把参数实时的通过串口发送到电脑，然后调整PI参数看目标值和实际值的变化曲线，从而较好的调整了PI参数。FOC控制心得FOC控制心得5.霍尔做为位置反馈，位置角是根据霍尔信号换算出来的，在每个霍尔信号的跳变点同步到相应的位置角，其他时刻的角度根据速度计算，所以在霍尔信号的跳变点位置角可能有跳变。若有跳变会造成相电流的突变，有尖峰出现，增加噪音和功率器件损坏的风险。为了解决此问题，在霍尔信号的跳变点位置角不进行同步，只 是为在下一个霍尔信号的跳变点追赶过来而进行

20、补偿，所以位置角 很平滑，没有跳变，从而解决问题。FOC控制心得FOC控制心得6.关于SVPWM控制，推荐电动机的DSP控制：TI公司DSP应用（第2版），适合于对电动机的DSP控制感兴趣的初学者使用，可作为从事电动机控制和电气传动研究的工程技术人员、高校教师、研究生和本科生自学用书。作者王晓明转子位置检测方法永磁同步电机转子位置估算转子位置检测方法：有位置 HALL传感器 编码器 旋转变压器无位置基于反电动势 比较器 适用六步法控制 AD转换 适用六步法控制 滑模观测器 适用FOC控制 无位置基于高频注入 适用内嵌电机下面结合TI的库文件探讨-永磁同步电机转子位置估算滑模观测器算法 见附件PLL锁相法求速度和角度永磁同步电机转子位置估算通过附件的学习，我们可以通过求反正切获得速度和温度。但这种方法抗干扰差，会出现跳变等。下面我们分享一个新方法，PLL锁相法。反电动势es的两分量e、e已经求出，根据定义：PLL锁相法求速度和角度永磁同步电机转子位置估算 根据以上公式，我们通过PLL锁相（如下图），调节r，使等式右边等零（电角度将领先反电动势一个采样周期），从而获得转速r和转子位子r。