基于PSoC?4 的PMSM無傳感器矢量控制

　　摘要：本文介紹了基于Cypress PSoC®4平臺的PMSM無傳感器FOC解決方案。方案采用改進(jìn)滑模控制器進(jìn)行位置估算，可有效消除抖振現(xiàn)象;PSoC®4內(nèi)部集成兩個支持比較器模式及SAR ADC輸入緩沖功能的運(yùn)算放大器，無需外部運(yùn)放即可完成電流采樣;四個可支持中央對齊PWM及同步ADC操作TCPWM模塊，可靈活完成三相電機(jī)的控制。

　　關(guān)鍵字：PSoC®4，矢量控制，無傳感器, 滑模觀測器

　　Abstract: This paper introduces the sensorless FOC solution based on Cypress new product PSoC®4. PSoC4 owns rich on-chip resources which can realize high integrated design. With two internal opamplifiers, PSoC4 can implement two phase currents sensing without external chips; Four TCPWMs which support center-aligned PWM and programmable dead zone can flexibly control three-phase inverter.

　　Keywords: PSoC®4，F(xiàn)OC，Sensorless, Slide Mode Observer, Motor control
　

　　1. 引言

　　永磁同步電動機(jī)(PMSM)因其體積小、重量輕、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于航空、航天、工業(yè)等領(lǐng)域。在PMSM驅(qū)動系統(tǒng)中, 無位置傳感器空間矢量控制技術(shù)是一種成本低、可靠性好、維護(hù)簡單的控制策略，避免了安裝傳感器(如旋轉(zhuǎn)變壓器、編碼盤等)帶來的系統(tǒng)體積重量增大、維護(hù)難等問題，并可適用于一些特殊場合，如空調(diào)壓縮機(jī)等。PMSM無位置傳感器空間矢量控制技術(shù)的難點(diǎn)在于轉(zhuǎn)子位置的估算,近年來許多學(xué)者對此進(jìn)行了深入的研究,提出了很多方法,如反電動勢過零檢測、高頻注入法、卡爾曼濾波、模型參考自適應(yīng)法、各種觀測器法等。在這些方法中,滑模觀測器由于其魯棒性強(qiáng)、對系統(tǒng)參數(shù)變化及外界擾動不敏感、易于工程實現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn),在交流調(diào)速系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。本文將討論基于滑模觀測器的無傳感器矢量控制技術(shù)。

　　2. PMSM無傳感器矢量控制原理

　　狀態(tài)觀測器的實質(zhì)就是重構(gòu)控制系統(tǒng)的狀態(tài)，將原系統(tǒng)中可以直接測量的變量作為新構(gòu)造系統(tǒng)的輸入信號，并使構(gòu)造新系統(tǒng)的輸出信號在一定條件下等于原系統(tǒng)的狀態(tài)?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制就是根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)的不同，反饋控制器的結(jié)構(gòu)按照事先規(guī)定的控制法則有目的地、不斷地變化。通過控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不斷變化，最終使得系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以極高的頻率來回切換，系統(tǒng)的狀態(tài)點(diǎn)做高頻的上下穿越運(yùn)動即滑模運(yùn)行。由于變結(jié)構(gòu)控制的這種獨(dú)特的不連續(xù)的控制特點(diǎn)，它對被控對象的數(shù)學(xué)模型的精確程度要求不高，尤其是在控制過程中被控對象參數(shù)的變化和外部干擾，這些都不會對變結(jié)構(gòu)控制的控制精度產(chǎn)生較大的影響，即變結(jié)構(gòu)控制對外界的干擾有很強(qiáng)的魯棒性。

　　變結(jié)構(gòu)控制的基本原理是：在變結(jié)構(gòu)控制中，控制量根據(jù)設(shè)定的控制法則在u+(x) 或u−(x) 之間切換. 變結(jié)構(gòu)控制就是根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)的不同，反饋控制器的結(jié)構(gòu)按照事先規(guī)定的控制法則有目的地、不斷地變化，最終使得系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以極高的頻率不停地來回切換，系統(tǒng)的運(yùn)動點(diǎn)則以極小的幅度和極高的頻率在S(x)=0 上下穿越。這種特殊的狀態(tài)叫做“滑模狀態(tài)”。此時，這種變結(jié)構(gòu)控制就叫滑模變結(jié)構(gòu)控制。此時，稱S(x)=0 被稱作滑模面，S=S(x) 為切換函數(shù)。

　　滑模觀測器設(shè)計
等式2減去等式1可得：

　　無傳感器矢量控制

　　圖1 無傳感器FOC控制框圖

　　圖1為無傳感器FOC控制框圖。整個FOC控制的核心是坐標(biāo)變換，通過坐標(biāo)變換將采樣所得的三相電流轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)矩電流分量i_q和磁通電流分量i_d。通過PI控制器分別對i_q和i_d進(jìn)行控制，并將i_d的參考值設(shè)置為0實現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩控制。三相電流采樣重構(gòu)后經(jīng)過滑模觀測器，一方面獲得轉(zhuǎn)子位置角，用于坐標(biāo)變換，另一方面可利用角度信息獲取速度信息，用于速度控制。最后通過FOC SVPWM法對三相逆變器進(jìn)行控制，實現(xiàn)逆變驅(qū)動PMSM運(yùn)行。