有效执行算法 Cortex-M4 MCU简化马达控制架构

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kelly 发布于:周一, 09/12/2016 - 10:40 ,关键词:

Cortex-M4微控制器(MCU)将可加速马达控制设计。精准的马达控制须仰赖精密且复杂的算法才能达到,而Cortex-M4微控制器运算能力达100MHz,并具备DSP及硬件浮点运算单元,可有效执行马达控制所需的高阶计算,有助减轻开发负担。

透过内建Cortex-M4核心的微控制器(MCU),再搭配智能型连接的接口设备,将可轻松执行复杂的马达控制算法。本文将以永磁同步马达(PMSM)磁场定向控制(FOC)之中的方程式为例进行探讨,并显示如何利用CMSIS数字信号处理器(DSP)链接库进行处理。本范例使用的相同原则,可应用至其他控制算法及马达类型。此外,也将探讨智能型接口设备为何不需要第二个核心,并说明使用单一业界标准核心搭配CMSIS DSP链接库的众多优点。

在探讨控制算法及方程式之前,了解永磁同步马达的架构及运作相当重要。基本上,简易的三相永磁同步马达包含永磁转子及固定式定子,并且搭配了三个正弦分布绕组(图1)。

图1 (A)为基本永磁同步马达的截面图;(B)为定子绕组以正弦方式分布。中间有点或X的圆圈,分别代表离开或进入的电线。

永磁同步马达架构及运作原理

定子的正弦分布绕组类似于三相感应马达的正弦分布绕组。单相中任何角度的电线圈数约为NS cos(£\)。其他两相情况相同,但偏移120度,而在现实情况下,绕组只是以近似正弦的方式分布。

由于如果将三相正弦电流施加至本类定子,就会产生旋转的正弦分布磁通量。因此,设计人员可利用数学证实以上理论。由于绕组产生的磁通量,与通过绕组的电流及绕组圈数成正比,所以将圈数乘以该相电流,就可以得出该定子相产生的磁通量,也就是磁动势(MMF)。若是再加上其他两相的结果,就能够算出定子的总磁通量。然后找一位高中学生,请他使用「余弦定律」(公式1)将长方程式简化为以下的简易方程式。

公式1

为有效控制马达,让产生的定子磁通量与转子磁通量90度异相,如此一来马达扭矩就能与定子磁通量振幅成正比。

简化磁场定向控制理论

此外,采用MCU型的不断电系统(UPS),主要是搭配整合式模拟数字转换器(ADC)及脉冲宽度调变(PWM)模块连接至半桥及变压器,产生正弦电压。输出电压预期应为无噪声的110伏特(V)60Hz正弦,不受负载影响。设计人员为了产生PWM值,首先可使用简易的PI控制器搭配110V、60Hz参考讯号,目的是透过ADC信道读取实际电压,与所需电压进行比对,将误差送入PI控制器,并使用输出控制PWM值;可惜这种方式并不成功,容易把电路板烧掉。

因此,可以考虑执行复杂的非线性控制法则,藉此取代PI控制器。透过已经制作好的正弦PWM值的对照表,将其储存于MCU内存,并且在每次PWM中断时,将指数增加至对照表中,接着将数值复制至PWM缓存器。采用这种方式虽然可以产生良好的60Hz正弦讯号,但是仍然会受到负载较大的影响。为了控制本正弦电压的振幅,可将对照表数值乘以比例因子,再将其传输至PWM缓存器,然后使用简易的PI控制器控制比例因子;而这次的结果顺利许多,在使用三角函数计算的情况下,即使只有近似于直流电的电压振幅时,采用简易PI控制器就能运作。

磁场定向控制运作时也采用类似原则。利用三角函数移除系统的正弦属性,然后针对振幅应用简易的线性PI控制器。为了检视其中的运作方式,在此可使用向量简化图1(B);图2类似于图1,只是其中把很难绘制的小圆圈替换为a、b及c轴。

图2 (A)为三相永磁同步马达的向量图标显示三相电流(ia、ib、ic)及其向量总和(iS);(B)则显示转子及其以旋转「d」轴定向的磁通量。为了实现最高效率,iS必须对齐转子的正交q轴。

由于磁通量与电流成正比,因此磁通量与电流这两个名词可以互换。三定子电流产生的总磁通量是以向量iS表示,也就是ia+ib+ic的向量总和;目标是让is与转子磁铁产生的磁通量保持90度的差距。在图2(B)中,若iS对齐转子正交或q轴,就代表定子磁通量对齐的位置适当,而图中有部分没有对齐的地方。

为了将定子磁通量对齐转子,首先必须找出与转子适当对齐的定子磁通量组件。这是与转子q轴对齐的磁通量组件,称为iq。我们也须找出未与转子适当对齐的组件,这是与转子d轴对齐的磁通量组件,称为id。如图3所示,id及iq只是iS在d及q轴的投射。

作者: Mike Copeland

图3 iq是产生实用扭矩的定子磁通量组件,id是应控制为零的定子磁通量组件,将iS投射至d及q轴即可发现以上两项组件。请注意转子角度是以φ 表示。

文章来源:新电子

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