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    如何使用降階隆伯格觀測器估算永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈位置?

    發(fā)布時間:2021-04-01 來源:Microchip,錢敏 責(zé)任編輯:lina

    【導(dǎo)讀】本文介紹如何使用降階隆伯格觀測器(ROLO)估算永磁同步電機(jī)(PMSM)的轉(zhuǎn) 子磁鏈位置。首先介紹特征值與穩(wěn)定性的關(guān)系;在此基礎(chǔ)上,引入狀態(tài)反饋控制 的理念;接著介紹如何使用該理念來設(shè)計隆伯格觀測器;然后,以 PMSM 為例, 推導(dǎo) ROLO 的設(shè)計過程,給出設(shè)計結(jié)果;最后,介紹 Microchip 的相關(guān)電機(jī)控制方 案(評估套件、例程和文檔等)。

    摘要
    本文介紹如何使用降階隆伯格觀測器(ROLO)估算永磁同步電機(jī)(PMSM)的轉(zhuǎn)子磁鏈位置。首先介紹特征值與穩(wěn)定性的關(guān)系;在此基礎(chǔ)上,引入狀態(tài)反饋控制的理念;接著介紹如何使用該理念來設(shè)計隆伯格觀測器;然后,以 PMSM 為例,推導(dǎo) ROLO 的設(shè)計過程,給出設(shè)計結(jié)果;最后,介紹 Microchip 的相關(guān)電機(jī)控制方案(評估套件、例程和文檔等)。

    一、 概述
    永磁同步電機(jī)(PMSM)的磁場定向控制(FOC)在近十幾年成為了主流的電機(jī)控制方法。其中,無位置傳感器 FOC 由于其低成本和高可靠性,獲得了越來越多的應(yīng)用和關(guān)注。由于沒有位置傳感器,所以必須估算轉(zhuǎn)子磁鏈位置。由于在旋轉(zhuǎn)過程中,轉(zhuǎn)子磁鏈生成反電動勢(BEMF),并且 BEMF 超前轉(zhuǎn)子磁鏈 弧度,所以

    可以利用對 BEMF 進(jìn)行觀測,進(jìn)而估算轉(zhuǎn)子磁鏈。降階隆伯格觀測器(ROLO)是一種常用的 BEMF 觀測手段。

    一方面,工程師可能不具備設(shè)計觀測器所需的背景知識;另一方面,產(chǎn)品開發(fā)項目必須盡快且高質(zhì)量地完成。盡管可以找到背景知識的相關(guān)教材,但由于其缺少針對性,所以工程師不得不花費大量時間進(jìn)行學(xué)習(xí)。該矛盾經(jīng)常成為制約產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)度和質(zhì)量的瓶頸。針對此困境,ROLO 由于其原理簡單,成為了能短時間掌握的優(yōu)選方案。

    本文針對 PMSM 控制所需,篩選出最少量的必需知識,按照邏輯順序闡述利用ROLO 觀測 BEMF 的原理。此外,還介紹了 Microchip 的相關(guān)電機(jī)控制方案。讀者可以借此快速掌握原理,并且上手實踐和熟悉。

    二、 特征值與穩(wěn)定性
    常微分方程(ODE)是時間確定性系統(tǒng)的一種抽象模型。PMSM 可以看作是一個線性時間確定性系統(tǒng),因此可以用線性常微分方程來建模。
    考慮以下的一般線性 ODE:

     
    如何使用降階隆伯格觀測器估算永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈位置?
     

    如何使用降階隆伯格觀測器估算永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈位置?

    三、 狀態(tài)反饋控制

    如何使用降階隆伯格觀測器估算永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈位置?

    四、 隆伯格觀測器
    考慮以下系統(tǒng):
    如何使用降階隆伯格觀測器估算永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈位置?

    如何使用降階隆伯格觀測器估算永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈位置?

    如何使用降階隆伯格觀測器估算永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈位置?

    五、 觀測 PMSM 的 BEMF

    如何使用降階隆伯格觀測器估算永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈位置?

    如何使用降階隆伯格觀測器估算永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈位置?

    如何使用降階隆伯格觀測器估算永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈位置?
     
    六、 Microchip 的 ROLO 方案
    Microchip 的基于 ROLO 的 PMSM 無傳感器控制方案提供例程、評估套件、開發(fā)工具和幫助文檔。

    例程位于 MPLAB® Harmony 3 的 motor control 模塊中,是一個運行在 Cortex®-M0+MCU(SAMC21)之上的 MPLAB X 工程:pmsm_foc_rolo_sam_c21。

    該演示方案可以運行于 MCLV2 低壓電機(jī)控制評估套件或 MCHV3 高壓電機(jī)控制評估套件。兩款評估套件均可在 Microchip 官網(wǎng)搜索并訂購。

    該例程利用圖形化配置工具 MPLAB Harmony 配置器(MHC)生成。使用 MPLAB XIDE 打開該工程,并打開 MHC,就可以看到 CPU 和所需片上周邊(PWM 模塊和ADC 等)的配置情況,如< 圖 1. 例程的 MHC 配置 >所示。

    相應(yīng)的幫助文檔也位于 MPLAB Harmony 3 的 motor control 模塊中。其中介紹了如何搭建硬件平臺、編譯和下載工程、算法原理框圖、軟件流程圖、軟件配置方法等,如< 圖 2. 電機(jī)控制算法框圖 >、< 圖 3. 軟件流程圖 >、< 圖 4. 軟件配置方法:電機(jī)參數(shù)宏定義列表 >和< 圖 5. 低壓電機(jī)控制硬件連接 >所示。

    如何使用降階隆伯格觀測器估算永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈位置?
    < 圖 1. 例程的 MHC 配置 >

    如何使用降階隆伯格觀測器估算永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈位置?
    < 圖 2. 電機(jī)控制算法框圖 >

    如何使用降階隆伯格觀測器估算永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈位置?
    < 圖 3. 軟件流程圖 >

    如何使用降階隆伯格觀測器估算永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈位置?
    < 圖 4. 軟件配置方法:電機(jī)參數(shù)宏定義列表 >

    如何使用降階隆伯格觀測器估算永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈位置?
    < 圖 5. 低壓電機(jī)控制硬件連接 >

    七、 總結(jié)
    本文從 PMSM 的 ODE 模型開始,逐步介紹了基于 ROLO 的 BEMF 觀測器的設(shè)計理念和方法;并且介紹了 Microchip 的相關(guān)方案。讀者可以利用這些資源快速掌握原理并上手實踐、熟悉 PMSM 的無傳感器控制方法,以加快項目開發(fā)進(jìn)度和提升產(chǎn)品性能。

    免責(zé)聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題,請電話或者郵箱聯(lián)系小編進(jìn)行侵刪。
     
      
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