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TI InstaSPIN---一種可以使幾乎沒有經(jīng)驗的人員也可以快速、完全控制電機的技術(shù)解析

發(fā)布時間:2014-8-7 14:08    發(fā)布者:看門狗
關(guān)鍵詞: InstaSPIN , 電機控制 , FOC
作者:paradoxfx

在高性能的電機控制應(yīng)用中,我們一般用到磁場定向技術(shù)(FOC)。這個方法的原理比較直觀,主要是將三相定子電流通過坐標變換,分解為轉(zhuǎn)矩分量和勵磁分量,然后分別控制。這一算法涉及到以下步驟:

  1. 使用Clarke 和Park 變換,將編碼器的3 相反饋電流輸入和轉(zhuǎn)子位置轉(zhuǎn)換為正交和直流電流分量。
  2. 使用這些電流分量作為兩個并行運行的比例和積分(PI) 控制器的輸入,將直流電流限制為零,把正交電流保持在所需的扭矩水平上。
  3. 通過Clarke 和Park 反變換,將PI 控制器的直接和正交電流輸出轉(zhuǎn)換回3 相電流。

  FOC的基本原理在從事電機控制的開發(fā)人員中可謂眾所周知,但是真正能夠把其性能發(fā)揮好卻并不容易,主要的幾個問題是:

  1) 采樣的問題:包括電流的采樣精度、編碼器的分辨率和計算延時等。
  2) 調(diào)節(jié)器的設(shè)計與調(diào)諧,如果不清楚電機的參數(shù)則很難進行,目前很大程度上仍然是采用試湊的辦法,費時費力,而且容易受到電機參數(shù)漂移的影響。
  3) 電機磁鏈的計算問題:不管是定子的,轉(zhuǎn)子的還是氣隙的,如果磁鏈計算的不準確,則整個FOC定向的基礎(chǔ),即定向角度都會產(chǎn)生偏差,嚴重影響性能。

  針對以上問題,TI在C2000系列DSC上面(目前支持TMS320F2806xF系列,包括(80和100管腳的69F, 68F和 62F)提出了InstaSPIN 電機解決方案,在此對其進行一下技術(shù)上的解析,希望起到拋磚引玉的作用。

  目前已經(jīng)開發(fā)好的InstaSPIN算法主要面向3個應(yīng)用場合,如表1所示。



  其實現(xiàn)的具體方法是,在控制器的ROM中,嵌入了TI自己開發(fā)的FASTTM技術(shù)。這一技術(shù)本身的原理比較復(fù)雜,但是在用戶端來看,我們面對的主要是一些寄存器,包括控制寄存器、數(shù)據(jù)寄存器等,只要正確控制相應(yīng)的寄存器就可以正確發(fā)揮它的性能了。FASTTM技術(shù)主要包括以下方面:

  1) 無速度傳感器條件下的定向控制

  在一些比較苛刻或者需要很低成本的工業(yè)場合,往往無法安裝編碼器,這時無速度傳感器的方案是唯一選擇;但是其原理往往比較復(fù)雜,并且很難在低速的情況下取得理想的性能。FASTTM技術(shù)為用戶解決了這一難題。它需要無速度傳感器根據(jù)電機的電流、電壓逆變器直流母線的電壓,根據(jù)一定的數(shù)學(xué)關(guān)系來觀測無速度傳感器條件下磁場定向所需要的關(guān)鍵變量的值,包括磁鏈、FOC定向角、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等。具體使用的數(shù)學(xué)關(guān)系目前并沒有開發(fā),這應(yīng)該算是TI的核心技術(shù)或者商業(yè)機密,但是這并妨礙我們使用它,并理解其工作方法。其原理框圖圖2 所示。



  2) 電機參數(shù)的自動識別

  通過電機參數(shù)的自動識別,結(jié)合一些控制理論中的自適應(yīng)和自整定理論,從而可以大大減輕甚至完全將工程師從復(fù)雜且耗時的調(diào)節(jié)器整定工作中解放出來。

  3) 負載慣量的自動識別

  在初始狀態(tài)下識別負載慣量,可以設(shè)定一個相對保守但是完全可用的調(diào)節(jié)器參數(shù),如果對性能要求不是太高,甚至不需要再對其進行調(diào)節(jié)。在運行過程中實時識別負載慣量,可以根據(jù)設(shè)置對調(diào)節(jié)器進行調(diào)諧,并計算整個系統(tǒng)的最大加減速度等。

  使用了FASTTM技術(shù)之后,我們圖1中看到的FOC原理框圖的Encoder部分就可以替換為圖2中的觀測器了。

  最后,總結(jié)對比FASTTM與傳統(tǒng)的控制方法,如表2所示


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