FOC

近日,武汉芯源半导体基于CW32F030C8T7永磁同步电机无感FOC控制方案全新亮相!

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随着社会技术的发展,电机的应用变得越来越广泛,已经与人们的生活息息相关,小到风扇,大到电动汽车,都离不开电机。永磁同步电机(PMSM)采用无感FOC驱动方案以噪声小、寿命长、能效高等优点得到广泛应用。FOC(Field Oriented Control)磁场定向控制基于三相电流及母线电压检测,产生任意矢量方向的控制磁场,保证电机在转动过程中力矩始终恒定,相比于6步换向控制,电机运转更平稳,但控制也相对复杂。

基于ARM®Cortex®-M0+内核的微控制器CW32F030C8T7,在永磁同步电机无感FOC控制方案中展现了卓越的性能,为电机控制领域注入新的活力。

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CW32F030C8T7永磁同步电机无感FOC控制方案,软件平台基于传统无传感器FOC控制技术,采用速度外环+电流内环双闭环PI算法,实现恒定转速控制,适用于表贴式(SPMSM)和凸极式(IPMSM)永磁同步电机。数据处理采用标幺化方式,最大限度的发挥无浮点主控MCU性能,FOC运行周期可低至48us。

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CW32F030C8T7永磁同步电机无感FOC控制方案应用框图

硬件采用CW32F030高性能主控,双电阻采样,支持电机顺逆风启动,支持过流过压保护等功能。CW32F030C8T7作为主控芯片,内置1路12bit高精度ADC,转换速度快,精度高。芯片高可靠、强抗静电,强抗干扰等特点,为系统提供了很好的保护功能,能确保系统在恶劣的电磁干扰环境下安全运行。

永磁同步电机无感FOC控制方案特色

●基于磁链观测器的无感FOC控制

●速度外环+电流内环双闭环PI算法

●标幺化数据处理方式,适用于无浮点MCU

●7段式SVPWM调制

●恒定转速控制

●硬件过流检测及保护

●软件过流检测及保护

●软件过压、欠压检测及保护

●电位器旋钮调速和命令调速2种调速方式

●顺逆风检测及启动

●硬件可支持6步换向控制

●硬件支持HALL/编码器等有感控制

CW32F030C8T7集成了主频可达64MHz的ARM® Cortex®-M0+ 内核,工作温度覆盖-40℃至105°C,且能在1.65V至5.5V的电压范围内稳定工作,运行性能强,CoreMark跑分高达138.5,超强算力能确保在单PWM周期内完成FOC运算处理,非常适合永磁同步电机控制。

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CW32F030C8T7还拥有丰富的存储容量,最大64K字节FLASH,数据保持时间长达25年@85℃,为数据存储提供了可靠的保障。此外,最大8K字节RAM,支持奇偶校验,以及128字节的OTP存储器,为用户提供了充足的数据处理和存储空间。

此外,CW32F030C8T7支持最多39路I/O接口,内置ATIM高级定时器,支持6路带死区控制互补PWM输出,其它外设包括:1路12位ADC,3路UART、2路SPI、2路IIC、模拟电压比较器、低电压检测器以及多路定时器等功能模块,非常适合电机控制应用。

武汉芯源半导体官方网站已经发布了永磁同步电机无感FOC控制方案相关资料,欢迎评测。

关于永磁同步电机无感FOC控制方案更多详细信息,请访问官方网站www.whxy.com  。

来源:武汉芯源半导体

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围观 21

一、方案概述

1.应用对象

在当今节能减排的趋势下,电机作为耗能大户,其效率的提升一直是业界努力的方向。珠海巨晟针对直流无刷永磁同步电机(以下简称PMSM),提供整体解决方案。PMSM由于其效率高、体积小、可靠性高等优点,使用范围越来越广。磁场定向控制(FOC)做为正弦波控制的一种,具有控制特性好,转速 精度高,噪声低等特点,由于算法较复杂,通常需要 16 位或 32 位微控制器才能实现,本文以下基于我司JS32M04x系列,可以实现磁场定向控制,具有较高性价比,本文档主要着重介绍FOC电流采样方式介绍。

2. 系统构成

系统结构框图如图1所示,由直流电源、微控制器、驱动电路、电流采样及放大电流,下载及监控接口等部分组成。

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二、 硬件设计

1.原理图

硬件原理图如图2所示。包含 MCU 相关电路、驱动电路、逆变电路、 电流采样及放大电路等。

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2.逆变电路

逆变电路采用MOS全桥电路,R8 、R11 为 0.05ohm 电阻,用于桥臂电流采样。R17用于电流保护检测, J1、J2、J3为电机线端子。

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3.电流放大电路

珠海巨晟JS32M04x系列集成了两路运放,可配置放大倍数,可用于相电流信号放大。

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4.硬件实物图

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三、电流采样方式

在FOC算法中,电流采样在反馈环节是相当重要的一部分,无论是有感FOC,还是无感FOC,相电流是交流三相同步电机在进行坐标变换的关键,最终通过SVPWM实现电机转子磁场和定子磁场的同步转动,通常这里有三种方案,单电阻采样,双电阻采样,三电阻采样。

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1.三电阻采样

在不同扇区采样的相电流,注意时间窗口需避免去采样PWM占空比接近100%的那一相电流。

2.双电阻采样

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双电阻采样无法避免窗口时间,所以需要限制最终PWM的占空比,为ADC转换预留足够的时间。

3.单电阻采样

单电阻采样需要在一个PWM周期内进行两次采样,下面需要在SVPWM六个扇区进行相电流的分类,这里可以对SVPWM的原理进行分析,从而了解如何对电流进行重构,单电阻的电路结构如下图所示:

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为了便于理解整个采样的过程,为了表示逆变器的开关管的状态,Sa表示A相的上下管同理Sb表示B相的上下管;这里规定:

Sa = 1表示上管导通,下管断开;

Sa = 0表示下管导通,上管断开;

Sb和Sc以此类推;

 Sa Sb Sc:100

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Sa Sb Sc:110

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SVPWM的开关状态

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因此,单电阻采样,需要在一个PWM周期内进行两次采样;具体如下图所示:

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图中的SAL,SBL,SCL分别对应整流桥的下管,因此在一个周期内分别进行了Sample 1和Sample 2这两次采样,对照上表可以推出;

Sample 1:采集了开关管状态为SAL SBL SCL:101==>SAH SBH SCH:010,此时采样电流为 IB;

Sample 2:采集了开关管状态为SAL SBL SCL:100==>SAH SBH SCH:011,此时采样电流为 −IA;

四、命名规则

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来源:珠海巨晟科技股份有限公司

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围观 16

FOC控制概述

FOC(Field-Oriented Control)即磁场定向控制,也称矢量变频,是目前高效控制无刷直流电机(BLDC)和永磁同步电机(PMSM)的最优选择。无刷直流电机(BLDC / BLDCM: Brushless Direct Current Motor)克服了有刷直流电机的先天性缺陷,以电子换向器取代了机械换向器。FOC 能精确地控制磁场大小与方向,使得电机转矩平稳、噪声小、效率高,并且具有高速的动态响应。

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基于FOC机制来感测和控制 BLDC,因此它不需要外部霍尔组件。也可适应电机电流的变化,能完善地运作于可变转矩负载应用,最终提高电机功率因子。目前FOC机制已在很多应用上逐步替代传统的控制方式,在运动控制行业中备受瞩目。

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FOC框图

上面框图不难看出FOC的原理复杂、计算量大,所以需要很高成本的控制器,这也使得FOC在很多应用场景下需要设置更多软件人才来处理复杂的演算法。

笙泉BLDC MCU: 应用于FOC无感控制

为解决以上复杂软件问题,笙泉BLDC MCU的FOC无感控制系列采用双核设计:8051内核+ MOC(电机控制: Motor Controller)内核(如下简易架构图所示)。8051内核用于对MOC的参数配置和其它日常事务控制,MOC内核用于完成电机的FOC运算控制。繁琐的FOC运算控制不再由软件完成,而是交给硬件MOC去处理,不需要大量Flash 空间来写演算法,这也是笙泉BLDC MCU的一大优势。笙泉的无感MDSF40 / MDRFD0系列可应用于新风机系统、低压吊扇、高转速风筒…等,亦提供完整的参考设计予客户。

MDSF40 简易架构:

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MDRFD0 简易架构:

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3相PMSM/BLDC FOC 无感MCU

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* * * (未完待续) * * * 

来源:megawin笙泉科技

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围观 150

随着人们对物质文明追求的提高,越来越多人对居住环境的要求也越来越高,尤其伴随着80、90后逐渐成为电器产品消费的中坚力量,手持式的清洁工具进入了他们开始独立生活的首选名单,而手持式吸尘器价格亲民,操作方便,愈加得到人们的青睐。

据统计,欧美国家地区占全球吸尘器销售量达63%,而亚洲地区仅占7%。我国覆盖率现阶段仅为11%,而像美、日市场均接近于饱和状态,故我国的市场经营规模还未开启,如按照必须品的覆盖率(>90%)预计,吸尘器的潜在性自销总量就超出四亿台。故而未来几年吸尘器仍具有广大的市场空间。

与传统电机控制方案相似,目前市面吸尘器控制方案分为六步无感方波驱动和无感FOC驱动两种,由于FOC驱动方式对吸尘器电机的平稳性、能效比均有较好的提升,实测数据显示FOC驱动方式效率能比方波驱动方式提高2~3个百分比以上,这使得无感FOC的驱动方式越来越普遍。

基于中颖SH79F2211的无感FOC方案,是十分适合手持式吸尘器应用的一款方案,主控MCU集成前置Driver,使得外围元器件更加简洁,PCB板更加精巧;无感FOC采用成熟的SMO+PLL观测器,能快速的获取电机转子实时位置,做到高精度的FOC控制,大大提升了电机的控制效率。

1. 主控芯片简介:

SH79F2211是一款48Pin内置预驱的MCU,有TQFP和QFN两种封装形式可供选择:

SH79F2211的引脚图:

“图1、SH79F2211管脚分布图"
图1、SH79F2211管脚分布图

SH79F2211的主要特性:

  • 基于8051指令流水线结构的8位单片机

          - 最高84MHz系统工作频率

  • 集成算术协处理器(MDU+CORDIC+SVPWM

          - 单周期32bit硬件移位单元

          - 单周期16 X 16bit硬件乘法

          - 9周期32 / 16bit硬件除法

          - 单周期32bit+32bit加法

          - 硬件CORDIC协处理器(圆函数)

          - 两套操作数结果寄存器组可切换

          - Q格式数据乘法/除法自动移位

          - 可选带饱和的乘加运算

          - 带移相功能的SVPWM生成支持五段式和七段式

          - 硬件实现FOC算法所需的低通滤波、PI控制和坐标变换

  • 集成三相全桥MOSFET/IGBT 门极驱动

          - 栅极浮动电压最高250V

          - HO高端输出与MCU高端输入同相

          - LO低端输出与MCU低端输入反相

          - 驱动能力+1.2A/-1.4A

          - 内置保护逻辑,防止上下桥直通

          - 内置驱动电源VCC/浮动电源VBS欠压保护

          - 集成VCC/VBS欠压保护功能,输出关闭

  • 集成15V开关电源稳压器(DCDC1

          - 3种计数模式,单次计数/边沿对齐/中心对齐模式

          - 带死区产生逻辑及故障检测功能, 可设置后分频系数

          - PWM周期内可设置多个时刻硬件触发ADC功能

          - PWM管脚顺序可选(代码选项)

  • 中断源:

          - 定时器2/3/4

          - 外部中断2、3

          - 捕捉中断0/1/2

          - ADC

          - EUART0、1,SPI

          - PWM周期,归零和占空比中断

          - 模拟比较器1/2

          - PWM4周期中断

  • 10+3通道121M sps高速模数转换器(ADC),自动触发ADC功能,12通道转换结果缓冲功能

  • 内建多输入模拟施密特比较器器CMP1(可使用AVDD分压值作为比较基准)

  • 内建两个高速模拟放大器OP1/2,OP2可当作多输入比较器CMP2使用

  •  集成5V线性稳压器(LDO5)

          -输入电压718V(典型为DCDC1输出15V

          -输出电压5V(常温:±2%)

          -输出电流:最大100mA

          -集成短路保护功能

  • Flash ROM32K字节
  • RAM1.5K字节
  • EEPROM2048字节
  • MCU工作电压:fOSC=400k -84MHz,VDD= 2.4V - 5.5V
  • 高频振荡器:

          - 内部RC高频振荡器:8MHz(全范围1%精度)

          - 内部集成无需外接电容的PLL,最高输出84MHz

  • 低频振荡器:内部RC低频振荡器:128KHz
  • 最多27CMOS双向I/O管脚
  •  I/O内建上拉电阻
  • 316位定时器/计数器T2/T3/T4
  •  三路捕捉功能,保存捕捉触发条件下的捕捉定时器值
  • 脉冲宽度调制模块(MCM

    - 8路(4对)16PWM输出,每对PWM支持互补或独立模式,输出极性可单独控制

  • 2套增强型UART:UART0、UART1
  •  18bit无死区PWM输出PWM4
  • SPI接口(主/从模式)
  • 双线串行接口TWI(主模式)
  • 内建的低电压复位功能(代码选项)

          - LVR电压14.1V

          - LVR电压22.5V

  • CPU机器周期:

          - 1振荡周期

  • 看门狗定时器(WDT

  •  内建振荡器预热计数器

  • 低功耗工作模式:

          - 空闲模式

          - 掉电模式

  • Flash

  •  40位可读MCU识别码

  • 工作环境温度-40+105

  • 单线仿真接口(同时支持四线仿真接口)

  • 封装:

          - TQFP48 / QFN48

SH79F2211内部方框图:

“图2、SH79F2211内部方框图"
图2、SH79F2211内部方框图

以上可知,SH79F2211硬件资源强大,运算高效,特别适合单电阻无感FOC方案。目前中颖无感FOC吸尘器最高电转速能做到150000RPM以上,电机效率达到50%以上,软件程序调试方便快捷,可以轻松胜任目前市面上绝大多数手持式吸尘器的应用要求。

二、电机控制算法简介:

1)无感方案框图:

基于中颖SH79F2211的单电阻无感FOC观测器方案采用成熟的全维SMO+PLL方案,算法响应速度快,实时跟踪精度高,参数配置简单,可直接闭环启动:

“图3、中颖无感FOC控制框图"
图3、中颖无感FOC控制框图

电机的αβ 坐标系下的状态方程

“基于中颖SH79F2211的手持式无感FOC吸尘器方案"

反电动势观测器方程

“基于中颖SH79F2211的手持式无感FOC吸尘器方案"

速度观测器方程

“基于中颖SH79F2211的手持式无感FOC吸尘器方案"

2)单电阻硬件移相:

为节约成本及占用更小的PCB布局面积,电机的电流采样通过单电阻实现,但转子在某些位置会使得单电阻采样进入非观测区,此时,F2211内置的硬件饱和移相功能会自动调整PWM波形进而实现电流采样重构:

“图4、F2211硬件饱和移相功能"
图4、F2211硬件饱和移相功能

3)弱磁策略:

吸尘器在实际工况中,往往会被部分异物堵住进风口或滤网,此时为保证吸尘器的吸力足够,通常需要通过弱磁手段提高电机的转速,保证恒功率控制的要求:

“图5、F2211弱磁策略"
图5、F2211弱磁策略

4)F2211方案原理图:

F2211内置预驱,所以外围电路十分简单,这使得PCB板面积更小:

“图6、F2211吸尘器方案原理图及实物图"
图6、F2211吸尘器方案原理图及实物图

5)F2211方案静止启动波形:

“图7、吸尘器方案启动波形"
图7、吸尘器方案启动波形

6)F2211方案连续断电顺风启动波形:

“图8、吸尘器连续掉电顺风启动波形"
图8、吸尘器连续掉电顺风启动波形

7)F2211方案稳定运行波形:

“图9、吸尘器方案稳定运行波形图"
图9、吸尘器方案稳定运行波形图

8)F2211方案150000RPM波形:

“图10、吸尘器最高电频率波形图"
图10、吸尘器最高电频率波形图

9)F2211方案效率实测数据:

“基于中颖SH79F2211的手持式无感FOC吸尘器方案"

来源:中颖电子
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围观 183

在电机驱动的FOC控制开发过程中,您是否遇到过电机噪声过大、效率偏低甚至无法运转的情况?这一切有可能源于相电流的采样异常,从而导致FOC算法中无法重建正确的三相电流!小编这里给大家分析影响电流采样的一个因素——延迟源!

1. 引言

在双电阻采样的电机驱动FOC控制中,采样点设置为驱动桥下管打开的中间时刻。注意,这里是驱动桥下管打开的中间时刻,而不是MCU输出的PWM周期中间时刻。因为从MCU计算生成PWM到电流信号送入MCU的ADC模块,这个典型的驱动拓扑中,存在多达七个延迟源!

FOC电流采样为什么不准?你忽略了这个细节


2. 延迟类型及典型时间

下面表格详细指明了电机驱动系统拓扑中存在的七个延迟源及其典型的时间。这些延迟将叠加在一起,产生的影响是:实际输出PWM波形滞后于MCU计算预期输出的PWM波形,按照这个计算,相电流采样点需要滞后于MCU计算预期输出的PWM波形的中间时刻。

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3. 延迟源详细分析

3.1 PWM死区时间插入

在三相无刷电机驱动系统中,需要三个桥臂来控制相线电流流向,在每个桥臂上有两个功率器件,如MOSFET、IGBT。这一对功率器件不能同时导通,否则就会出现短路的情况。这里以MOSFET作为功率器件来说明。在控制中,必须插入死区时间以确保上部和下部MOSFET不会同时处于打开状态。死区时间的典型值可能在100ns到2μs之间,具体取决于系统中的各种因素,如MOSFET驱动电压、MOSFET型号。

在所需的PWM波形插入死区时间之后,我们得到的是PWM中点和上升沿都向右移动。因此,在FOC控制算法计算出适当的PWM之后,我们立即开始看到第一个延迟,即死区时间。

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3.2 光耦延迟和预驱动器延迟

在MCU控制FTM模块输出PWM波形到MOSFET栅极受控制的那一刻之间,各种光电耦合器和预驱动器的信号响应导致了额外的延迟。

与MCU引脚输出的波形相比,预驱动器的输出延迟了一段时间(Delay1)。

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3.3 晶体管开关延迟

经过预驱动器后,PWM波形到达MOSFET晶体管,但由于其固有特性,所有晶体管都需要一定的时间导通和截止。根据晶体管类别及导通/截止之间切换所需要的电压电平,此延迟时间有所不同。

Delay2为相线电压理论切换点(CMP2)与实际切换点的时刻之间的整个延迟。

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最后,栅极电压到达了能令晶体管导通的程度,电流通过相线和采样电阻,在采样电阻两端产生电压差,红色波形为理想状态下的相电流波形。此时与MCU计算生成的PWM周期中点存在延迟总时间如图中“相电流中点移位”。

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3.4 其他延迟

如下图所示,影响电流采样的最后延迟链是由放大器转换速率、MCU引脚上的低通滤波器和ADC转换速率构成的。图中用红色圆圈标记的时刻为正确的电流采样时刻,可以看出,与FTM输出的PWM中点相比,相电流采样点大大延迟。

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4. 结语

所有的电子电路中,都会存在信号的延迟问题。信号延迟不可能被完全消除,但可通过选用低延迟的器件以减小影响。

在电机驱动中,除了选用合适的器件外,还需要对信号延迟进行软件补偿。文中提及的这些延迟源的精确延迟时间,我们可以通过示波器和计算得出,在软件上补偿这些延迟,才可得出正确的电流采样时刻。这样在正确的时刻采集到的数据才能作为FOC控制中重建电机三相电流的数据来源。

转自:周立功单片机

围观 4055

当前国内汽车市场发展迅速,各大汽车厂商对汽车电机控制也提出了更多的要求,其对产品节能性、高可靠性、低成本的追求成为了一种趋势。NXP在FOC汽车电机控制方面,有哪些相关产品、解决方案及工具呢?

方案简介

NXP推出的S12ZVM系列为汽车和工业控制应用(BLDC、PMSM或SR电机)提供最小、最高效且可扩展的3相电机控制解决方案。

同时支持低成本开发板 – S12ZVML-MINIBRD,以及中文版的FOC无传感调试指南,更易上手。

❖ S12ZVM集成了先进的16位MCU、12V至5V稳压器、LIN物理层或CAN物理层,可以轻松满足苛刻尺寸要求;

❖ 内置的栅极驱动器(GDU),单一方向转动的产品量身定做,以控制6个功率MOSFET;

❖ 含有32位MAC单元,支持分数运算,含有24位线性地址空间,运算能力出众;

❖ Auto Grade 0, 150°C规格,用于汽车和工业控制应用,如鼓风机、风扇或燃油泵、机油泵或水泵,具有最佳的性价比。

基于 S12ZVM的电机方案特点
❖ 快速启动100ms从静止到额定转速;
❖ 支持6步方波和FOC正弦波无传感器控制;
❖ 支持单电阻供电电压范围6V到17V;
❖ 支持空载启动和满载启动支持;
❖ 供电电压动态补偿;
❖ 支持负载波动测试;
❖ 支持PWM速度指令;
❖ 支持各种保护功能过流、过压、欠压及限流保护。

产品优势



从完整的产品结构和解决方案,到丰富的电机控制工具,再到给力的电机控制技术支持,NXP可以提供一站式汽车电机控制解决方案,设计、开发想不顺利都难。

来源:周立功单片机

围观 500
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