15万转无感FOC: 高压风机水泵吸尘器,冰箱空调压缩机

高压电机控制的 CPU 部分。

高压无感 FOC 代码执行后，用 PinView 查看引脚配置

用新唐 M451 做的一个 24V 的空气泵，无感 FOC 控制。

反复启动的视频

24V泵反复启动的视频.zip (5.72 MB, 下载次数: 150)

2024-6-2 17:05 上传

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示波器一大格是50ms,  可以看出，起动时间每次都不到 0.05秒。

积分饱和

假如输出电压最高时，电机达到最快的 5Krpm，电流稳定在3A。如果设定转速此时是 6Krpm, 转速误差仍有1K, 转速 PI 运算中的积分运算，仍会一次次增加电流设定值，一直加到控制器电流上限，假如是 20A 。  

这时如果转速设定值突然变成 4Krpm，转速 PI 结果——设定电流，从20A慢慢往下降，在降到 3A 前，输出电压不会降，所以转速不会降、保持5Krpm。只有电流降到 3A 再降时，输出电压才开始降，转速也才开始从 5k 往下降。 转速控制会有一个长时间的滞后才反应过来。这就是积分饱和、造成的不良后果。
一个性能优良的电机控制代码，一定有积分抗饱和运算。

积分抗饱和的方法

网上查一下，有很多种抗积分饱和的方法，比如，积分分离法，输出限幅法，等等。

我们24年7月以后的代码，积分抗饱和方法是：每次做转速PI 前，检查若转速误差为负（表明指令要降速）并且输出饱和了，就让电流设定值=电流测量值，这样接下来的转速PI 计算结果，一定是降输出电压，也就是退出饱和，要降速了。

采用状态 3 起转，起转前不需要锁定

新唐M451 无感FOC 代码，做MTPA控制。

先介绍一下理论。文字中的符号, 要显示出来，必须单独上传图片，为了省事，我只好先写成 word 文件，再截成一个大图片上传了。

电流分量代入转矩公式，得

MTPA 控制就是给定电流Is，求角度等于多少时，转矩最大。求导=0得

解这个一元二次方程，得

不同Is对应的超前角可做一个折线。假如最大工作电流是32A，做8个点，4A一个点。算出N = 8*Is/32=Is/4 (取整)，则Is对应的超前角在点[ N], [N+1 ]之间，按下式做一个线性计算就可得到角度

M451的无感FOC 代码，起转时Id=0，起转成功能后，第277行代码，切同步前把超前角 Angle_Fai 写成 0，如果以后不再改这个超前角，就是 Id=0 控制。

若要做 MTPA 控制，就在 SysTick 中断里、转速 PI 运算得出 Is 后，再查表求出超前角 Angle_Fai就可以了，求 Iq,Id的代码已写好。

Angus 发表于 2023-10-3 21:30
M451无感FOC方案特性：
1，磁链估计，比电流估计精度好。
2，dq轴估计，比静态坐标轴估计误差小，因为Ld,Lq ...

观测器理论不错，起转效果也不错。PWM 中断只用了 20us 多点，MCU 还有很多算力可以利用，接下来是加上高频注入法呢，还是加上 PFC 功能呢 ？

高频注入法中的旋转电压法，可做到 0 速时测到磁铁位置，让电机像有感一样转动，听起来就不错。

冰箱，洗衣机，大风扇等 220V 的应用都需要 PFC 功能，并不在意起转时，反转一个小角度。一个芯片做成电机控制+PFC 是个很受欢迎的方案。

MTPA 控制就是用最小的电流，获得最大转矩 。为什么要获得最大转矩，基础理论是什么 ？

牛顿第二定律  

力矩 = 半径 叉乘 力，
把 "质量与半径平方的积" 定义为转动惯量 J 后，转矩与角速率的关系，和牛顿第二定律一样，称为转动的牛顿第二定律

上式可见，相同的转动惯量，转矩大，角速率的斜率大，即提速快。如果没有摩擦力，会一直加速。
实际的负载——被外力驱动的物体，转速与转矩的公式，是下式：B 是一个常量系数

这是个一阶微分方程，解这个微分方程，可得转速公式与转矩的关系式为：

此函数的形状是这样的。最终转速是 M/B


对于同一个负载，显然，若外加的转矩大，不仅最终的转速高，提速也快。

如果不需要达到电机的最高转速，转矩大的电机，负载达到设定转速的时间短。

MTPA 控制为何比Id=0控制，消耗的电流会小

假定转矩 T 是个常数，电流 iq,id 就是反比关系，Te 公式的意义，见前面回帖。



Iq 与 Id 的函数图像，可以看成是  y= - 1/x 向右平移。如下图

控制器的输出功率，与电流的模有关，即 Is

以 Is 为半径的圆上，控制器的输出功率是相等的。

在电机基速以下，即未达到最快转速时，下图蓝色 Te 是等转矩线，可以理解为负载等转速线(确切来说，应是输出转矩曲线才是负载等速线)。其原理见楼上回帖的讲解。

如果采用 MTPA 控制，达到这个转速，所需电流是蓝色箭头 Is2 。

如果采用 Id=0 控制，达到这个转速，需要的电流是红色箭头 Is1，已超出以 Is2 为半径的圆圈 。

此图很明显得看出，相同转速， MTPA 控制所需的电流 Is2，比 Id=0控制所需的电流 Is1 小。