15万转无感FOC: 高压风机水泵吸尘器,冰箱空调压缩机

Angus · 发表于 2016-8-10 16:46:56

本帖最后由 Angus 于 2024-11-21 10:00 编辑

参考原理图

M451_FOC.pdf (39.23 KB, 下载次数: 4217) , 图中第三相驱动和前两相一样，省略, 省一页图纸。
M451无感FOC吸尘器在10万转时，电流钳测的电流波形

每个PWM周期的计算耗时小于20us。如果 PWM=30KHz/周期33us，转速就可跑到 15万转。

启转快，同步快，代码精简到8K

顺风启转，直接同步

让电流设定值突变，电流响应快、并且无超调

有感FOC的IAR工程代码:

M451_SVPWM.zip (1.57 MB, 下载次数: 4740)
运行此代码,不接电机,在PWM0_0, PWM0_2, PWM0_4 引脚接 10K/1uF 阻容后就可测到如下波形

带详细中文注释的无感 FOC 代码

M451_FOC_V23_Nu-LVMDM.zip (826.7 KB, 下载次数: 2326) ，量产后可开放 M4_SVPWM.lib。
1>,在 DQ 坐标轴做的磁链观测器。并充份利用了 M4 内核的 DSP 指令加快运算。
2>,有电流超前角控制，根据电机特性可实现 MTPA 控制或弱磁恒功率控制。
3>,三闭环控制，转速闭环外，有功率闭环控制，可精准控制功率值。
4>,有加速度控制，可方便实现慢加速，或快加速过程。
5>,积分分离法 PI 抗饱和运算。
6>,一个宏定义选择用 I/F 起转，还是V/F 起转。

每一行代码都反复检查和测试，我们精雕细琢，只为性能卓越

此代码效果的视频

M451_Video.zip (32.33 MB, 下载次数: 268)
电机参数不同或电路不同时，代码修改说明

M451无感FOC 代码说明.pdf (1.88 MB, 下载次数: 2061)

PWM 触发ADC中断代码流程: 读取电流 =>迭代运算、估算位置=>算三路PWM 占空比写入寄存器

过调制输出电压。过调制可提高电压利用率

技术支持电话
新唐电子科技(上海)有限公司 021 - 62365999

admin · 发表于 2022-11-21 16:08:45

M451 可做 FOC + PFC 方案。也可做 FOC + CAN通信方案

七段式SVPWM 算法，一个PWM 周期有两次电流注入，所以电流频率是PWM 频率的两倍，PWM 频率若用10KHz（周期是 100us），电流频率主要是20KHz，所以噪音已比较小。

此M451 FOC 方案，PWM(ADC)中断耗时20us左右，所以另一组PWM 完全有时间做 PFC 控制。

我们推荐以下引脚配置，同时留出CAN 通信引脚。PA2,PA3 可控制大功率 PFC 的主管和副管。

Angus · 发表于 2023-3-30 11:36:26

本帖最后由 Angus 于 2023-3-31 21:58 编辑

这里讲一下电流 PI 参数的取值问题

电机可以看成一个电感串一个电阻，其拉氏变换是 1/(sL+R)， PI 控制的拉氏变换是 (Kp + Ki/s) , 这俩公式看不懂的，请去复习一下拉氏变换
电流的 PI 控制图如下，x是电流设定值，y是电机的实际电流。PI 控制的输出是电压V，电压加到电机(电阻+电感), 又调整了电流大小，控制的最终结果是 y=x 。因为有积分运算，所以只要 x-y >0, PI 运算的结果V 就会一直增加，所以电机电流y也一直增加，直到 y=x。

上图写成公式

公式化简

令 Ki = K*Kp, K是一个常数，公式变为

上式可变成 y 的二阶微分方程，求出 y 的解，用拉氏反变换的方法也可求出 y 的解。
当设定电流不变、即x=常数时，y 的解的形式是：

，
其中 x1,x2 是 S 的一元二次方程

的解。我们先不求解，讨论解的形式，比较简单。

S的一元二次方程有俩实数解时，y 的解中，e的指数是实数，y 的值指数变化(增加或衰减)趋于终值C0，没有振荡。
如果上述一元二次方程的解是复数，e的指数是复数，按欧拉公式，就是y的解是三角函数、乘e指数。y的解有三角函数，就是电流 y 有振荡。PI 控制效果、是振荡式趋于稳定值C0，这是我们不希望的。
上述S的二次方程有实根，必须满足：

上式可写成

，第二个括号内的值 >=0，就满足整个公式>=0。

从第二个括号内式子 4RKp - 4LkKp >=0 得出 R - LK >= 0，即 K <= R/L
所以，Ki 满足下式, 电流响应就不会有振荡：

这就是 Ki 取值的理论依据，实际上 PI 控制环路还有PWM 滞后一个周期等其它微小滞后因素，Ki 的这个临界值，比 R/L*Kp 还大一点，也就是只要Kp的取值不会引起振荡，Ki 取值 = R/L*Kp 也不会振荡。

Angus · 发表于 2023-10-3 21:30:50

本帖最后由 Angus 于 2023-10-29 18:00 编辑

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是常量，而ab轴的电感是随角度变化的，静轴估计理论上就有误差。
3，反正切输入PLL, 比Ea*sin+Eb*cos 输入PLL好，因为前者的值只与角度偏差有关，而后者的值还受转速影响。
4，定点数运算比浮点运算快。电机最小电感仍可10uH以下。我们测试了电感9uH 的吸尘器，起转很好。
5，M4内核有除法指令，更有“抗饱和累加“指令，写代码方便，运算速度快。
6，M451工作电压范围2.5~5.5V，宽工作电压范围，抗干扰能力强。

Angus · 发表于 2024-7-20 11:11:34

本帖最后由 Angus 于 2024-9-15 16:05 编辑

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 2022-1-23 21:36:38

本帖最后由 Angus 于 2024-9-12 13:41 编辑

这里讲一下 Clark 变换

求 I_alpha, I_beta, 就是求电流向量的实部和虚部。A相在0度，B相在120度，C相在-120度，三个电流写成复数形式分别为

求三个电流的“失量和” 。三相电流的“标量和=0“，即Ia+Ib+Ic = 0，这个不用求。

因为在下MOS 导通时测电流，显然下MOS导通时间长时,电流ADC 受PWM 开关影响就小，值相对准确一些。
如果 C 相下 MOS 导通时间短、就用 Ia 和 Ib 计算电流向量， Ic = -Ia-Ib 代入向量求和公式，得到

消去 Ia 或 Ib 的公式，请读者自己推导

等幅变换中电流向量若是 I, 则对应相电流峰值是 I*2/3。所以上式求出的电流向量，乘2/3后才与控制量对应, 这样公式就变成了

上式这个电流向量的模，正好与相电流的峰值，数值上相等。
下面来看代码，
181~189行，按扇区,选择下MOS导通时间长的两相, 求I_alpha, I_beta，为了减小计算误差先增加小数，数值乘8
191行，1/3 的开方=0.57735 =18919/32768, 所以乘18919再右移15位就是乘1/3的开方，右移小了3位，等于是把结果乘了8

执行完191行后，就求出了 I_alpha，I_beta 。接下来坐标变换求出了有3位小数的 Id 和 Iq 电流

Angus · 发表于 2022-1-20 14:35:43

本帖最后由 Angus 于 2024-9-15 16:10 编辑

这里讲一下代码中的 PI 运算。

模拟 PID 运算公式：

去掉微分运算，再把公式离散化，公式变为：

采用增量式算法：

下面是转速 PI 运算的代码
代码 733 行：增量 = Kp*[本次误差 - 上次误差] + Ki * 本次误差
代码 734 行，temp32 = U(n-1) + 增量。
736~739行是抗饱和运算
741 ~ 742行，计算结果 temp32 做限幅后，再赋值给电流设定值变量 Is_set_f12

Uwen · 发表于 2016-11-30 17:03:31

Angus 发表于 2016-11-27 21:41
目前只做到按霍尔位置算电压失量，还没做到电流失量控制那一步

hello:
      读了一下程序，发现有几个值没整清楚。
Voltage_dc = 100000 ;                                  // PWM 周期是 4000, 母线数值太大无意义
Voltage_q  =  40000 ;                                  // Vd,Vq 范围 -65535 ~ 65535
Voltage_d  = 1000 ;                                  // Vq,Vd 的模超母线的 0.577 倍波形会消顶
这几个值，如果电机不一样，输入电压有变化，怎么选择？有怎么样的算法？有例程吗？谢谢！！！

Angus · 发表于 2016-12-3 12:05:18

本帖最后由 Angus 于 2017-3-14 22:11 编辑

看一下 FOC 控制框图，系统控制的输入量是 Id,Iq 的设定值。Vd,Vq 是 PI 计算出来的理想值，再由 Vd,Vq算出 PWM 的占空比。
若想提高调节精度，一方面要增大 PWM 周期，PWM 周期为 4000 时，调节1，电压只调整了 1/4000。另一方面要提高由 Vd, Vq 计算 PWM 的精度。采用定点数，只能提高 Vd, Vq 的数值，而 Vd,Vq 的最大取值受限于母线的最大取值。
由此可见，母线数值选的越大，Vd,Vq 被允许的范围就越大，计算精度就越高。母线最大数值若超过 PWM 周期的四倍以上，电压的舍入误差已小于 PWM 所能达到的精度的 1/4，PWM 已无法完成如此精细的电压调节。

rete0786 · 发表于 2017-3-14 13:32:11

哈哈，好东西，赞一个

arm_nuedu · 发表于 2017-7-27 20:39:03

PD->MODE    = 0x00000400 ;
  SYS->GPD_MFPL = SYS_GPD_MFPL_PD0MFP_UART0_RXD
            | SYS_GPD_MFPL_PD1MFP_UART0_TXD  ;

还有这个PD0 PD1,不是该0X0000 0004

Angus · 发表于 2017-7-27 21:46:06

arm_nuedu 发表于 2017-7-27 20:39
PD->MODE    = 0x00000400 ;
  SYS->GPD_MFPL = SYS_GPD_MFPL_PD0MFP_UART0_RXD
      ...

代码中 PD->MODE = 0 ;
PD0 配置为 RXD 自动为输入，PD1 配置为 TXD 自动为 CMOS 输出, PD->MODE 的值已无效

arm_nuedu · 发表于 2017-7-28 11:48:25

哦哦，明白了，谢谢

xiaoxiao2013 · 发表于 2018-11-20 13:57:13

请问，你启转那个图片是怎么启动的？是无感运行？看图上没有开环切闭环，是不是这样？你那个位置估算器是常用的，难实现这样的效果

Angus · 发表于 2020-5-29 14:09:19

本帖最后由 Angus 于 2020-5-29 14:12 编辑

游客 115.226.132.x 发表于 2020-5-29 10:36
请问楼主：在做无感位置估算器中，需要用到Valpha和Vbeta，这两个值是怎么得到的，提供的原理图中只有两相 ...

电机中的三组线圈在圆周上呈120度安放，三相通电后，合成电压的方向可以是360度的任一方向，所以就用复数表示，Valpha + jVbeta

所以Valpha, Vbeta 是电压失量的实部和虚部，是计算的中间变量。

发表于 2022-1-10 21:39:19

调速旋钮刚好在最小启转值附近时，可能因数据抖动，造成启转、停转、启转、停转现像。为了防止这种现象，将调速旋钮值，做回差处理，如下图。

未转时，旋钮从0向上调，超过最小值的3/4, 到最小值之间，都算是最小值。
转动时，旅钮从上向下调，高于最小值的一半，到最小值之间，都算最小值。

未转时，旋钮调到3/4处，就会启转，这时，旋钮值上下抖动一点，转速设定值保持最小值不变。
实现代码，如下：

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