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。方案采用改進滑模控制器進行位置估算，可有效消除抖振現象 SoC?4內部集成兩個支持比較器模式及SAR ADC輸入緩沖功能的運算放大器，無需外部運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的控制。關鍵字：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，FOC，Sensorless, Slide Mode Observer, Motor control 1. 引言 永磁同步電動機(PMSM)因其體積小、重量輕、功率密度高等優點而廣泛應用于航空、航天、工業等領域。在PMSM驅動系統中, 無位置傳感器空間矢量控制技術是一種成本低、可靠性好、維護簡單的控制策略，避免了安裝傳感器(如旋轉變壓器、編碼盤等)帶來的系統體積重量增大、維護難等問題，并可適用于一些特殊場合，如空調壓縮機等。PMSM無位置傳感器空間矢量控制技術的難點在于轉子位置的估算,近年來許多學者對此進行了深入的研究,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、對系統參數變化及外界擾動不敏感、易于工程實現等優點,在交流調速系統中得到了廣泛的應用。本文將討論基于滑模觀測器的無傳感器矢量控制技術。 2. PMSM無傳感器矢量控制原理 狀態觀測器的實質就是重構控制系統的狀態，將原系統中可以直接測量的變量作為新構造系統的輸入信號，并使構造新系統的輸出信號在一定條件下等于原系統的狀態。滑模變結構控制就是根據系統當前的狀態的不同，反饋控制器的結構按照事先規定的控制法則有目的地、不斷地變化。通過控制系統結構的不斷變化，最終使得系統的結構以極高的頻率來回切換，系統的狀態點做高頻的上下穿越運動即滑模運行。由于變結構控制的這種獨特的不連續的控制特點，它對被控對象的數學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的變化和外部干擾，這些都不會對變結構控制的控制精度產生較大的影響，即變結構控制對外界的干擾有很強的魯棒性。 變結構控制的基本原理是：在變結構控制中，控制量根據設定的控制法則在u+(x) 或u?(x) 之間切換. 變結構控制就是根據系統當前的狀態的不同，反饋控制器的結構按照事先規定的控制法則有目的地、不斷地變化，最終使得系統的結構以極高的頻率不停地來回切換，系統的運動點則以極小的幅度和極高的頻率在S(x)=0 上下穿越。這種特殊的狀態叫做“滑模狀態”。此時，這種變結構控制就叫滑模變結構控制。此時，稱S(x)=0 被稱作滑模面，S=S(x) 為切換函數。 滑模觀測器設計 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控制的核心是坐標變換，通過坐標變換將采樣所得的三相電流轉換成轉矩電流分量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進行控制，并將i_d的參考值設置為0實現最大轉矩控制。三相電流采樣重構后經過滑模觀測器，一方面獲得轉子位置角，用于坐標變換，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法對三相逆變器進行控制，實現逆變驅動PMSM運行。 1. 基于PSoC?4 的無傳感器矢量控制方案 PSoC4簡介 PSoC?4 是基于ARM Cortex-M0 CPU的可編程嵌入式系統控制器家族，它集合了可編程模擬資源、可編程內部互聯、用戶可編程數字邏輯、通用的固定功能外設計以及高性能的ARM Cortex-M0 CPU子系統。相對于PSoC3、PSoC5系列產品的各個方面, PSoC?4都做了很大的改進。PSoC?4現包含CY8C4100 和CYCY8C4200兩個產品系列，PSoC4100系列是基于ARM內核的最低成本的PSoC，它將PSoC的靈活性和高集成度引入對成本敏感的大批量生產的產品中。PSoC4200系列擁有速度更快的處理器，更高的ADC采樣速度，以及基于PLD的增強型通用數字模塊(UDB)。以下概括了其主要特性。 · 高性能 Cortex-M0 CPU 內核。基于48 MHz ARM Cortex?-M0 中央處理器 , 支持單周期乘法。 · 固定功能以及可配置的數字模塊。包括四個獨立的可支持中央對齊的PWM，支持互補的可編程死區及同步ADC操作;兩個可工作為SPI/UART/I2C 串行通信接口的串行通信模塊(SCB); · 高性能模擬系統。包括一個支持零開銷通道切換功能的12位1 Msps ADC; 兩個支持比較器模式及SAR ADC輸入緩沖功能的運算放大器; 兩個低功耗比較器;一個電容感應(CapSense)模塊，提供極佳的信噪比和防水功能;兩個電流數模轉換器 (IDAC)。 · 高度可編程的數字邏輯。四個可編程數字邏輯模塊(UDB)，每個包含兩個微型的可編程邏輯陣列和一個8位數據運算單元 。 · 靈活可編程的內部互連。 基于PSoC4的無傳感器矢量控制方案 PSoC4?內部集成四個獨立的可支持中央對齊、互補的可編程死區及同步ADC操作的TCPWM模塊;一個支持零開銷通道切換功能的12位1 Msps ADC; 兩個支持比較器模式及SAR ADC輸入緩沖功能的運算放大器。豐富的片內資源可將主控電路所需芯片集成到一片芯片中，實現高度集成化。圖2顯示了PSoC4無傳感器FOC硬件控制框圖。 圖2 PSoC4 無傳感器FOC硬件控制框圖 電流檢測電阻上的信號直接進入PSoC4內部運算放大器，經放大后通過內部模擬多路選擇器進入高速SAR ADC采樣。采樣后由Cortex-M0進行FOC算法計算，更新TCPWM占空比，驅動PMSM運轉。 相對于其他解決方案，基于PSoC4的無傳感器FOC解決方案具有以下特點優勢： 1) 采用高性價比的Cortex-M0內核。Cortex-M0是市場上現有的最小、最節能的ARM處理器，代碼占用空間小，能以8位處理器的價格獲得32位處理器的性能，可明顯節約系統成本。 2) 內部集成兩個支持比較器模式及SAR ADC輸入緩沖功能的運算放大器。目前市場大部分解決方案均需外部運放完成電流采樣，采用PSoC4可從系統BOM表中移除外部運放，減少系統成本。 3) 內部集成兩個低功耗比較器，可用于硬件保護或錯誤信號處理。市場常用解決方案大部分采用外部比較器完成此功能。采用PSoC4可進一步減少BOM，降低成本。 4) 減少PCB空間及BOM成本。由于PSoC4集成了電機控制所需大部分外設及其他豐富的模塊，可實現高度集成化的設計。 5) 固件IP保護。PSoC提供了極強的軟件/硬件IP保護能力，這對電機應用尤其重要。 6) 靈活的通訊接口。PSoC特殊的可編程架構提供了極為靈活的通訊接口，可滿足各種應用的需求。 基于PSoC4的設計實例 PSoC 4采用PSoC Creator集成設計環境，PSoC Creator允許用戶拖放預先配置好的、可隨時投產的模擬和數字IP模塊，也就是PSoC組件到自己的設計之中，并將其按照多種應用需求進行配置，實現軟硬件協同設計，創建真正屬于自己的器件。PSoC4能提供數十種免費的PSoC組件(Components?), 可適用于很多類應用. 1) 原理圖設計 主控電路部分最核心的有兩部分：PWM及電流采樣，我們將重點討論著兩部分的設計過程。與PSoC3、PSoC5相比，PSoC4增強TCPWM模塊的功能。TCPWM包括四個16位的周期長度用戶可編程的計數器，這些計數器之間可以進行功能同步。每個模塊包含一個捕獲寄存器、一個周期寄存器以及一些比較寄存器。每個模塊都支持互補的可編程的死區，還支持一個關斷輸入信號來強迫輸出信號進入預先設定的狀態。 如圖3所示，從PSoC Creator中拖放三個TCPWM模塊，配置TCPWM的工作模式為中央對齊，帶死區的雙路互補輸出模式。三對PWM輸出可分別作為U、V和W相橋臂驅動信號(如PWM_U_Upper, PWM_U_Lower)。同時在任一TCPWM模塊的UN事件輸出(下溢信號，用來指示計數器向下計數達到“0”)觸發PWM中斷(PWM_MainLoop_ISR)，用于進行FOC計算并更新占空比，同時在任一TCPWM模塊的OV事件輸出(上溢信號，用來指示計數器向上計數達到周期寄存器中的值)觸發ADC中斷，用于采樣相電流及母線電壓等。圖中的控制寄存器(PWM_Ctrl_Reg)還可以同時使能或禁止六路PWM輸出。PSoC靈活的可編程特性可輕松實現了三對嚴格同步的互補對稱PWM及其更新邏輯，這樣可以使工程師將更多的時間專注于算法層面，提供產品的競爭力。 圖3三相PWM原理圖 采樣部分主要負責完成兩相電流及母線電壓采樣。如圖4所示，電流檢測電阻上的信號直接進入芯片內部運放放大器(Opamp_1, Opamp_2)，電路形式采用差分放大形式，相關阻容在芯片外部。信號經放大器放大后直接由內部進入SAR ADC模塊進行采樣。SAR ADC模塊能夠實現最高1Msps的單通道采樣，支持零開銷通道切換功能。 圖4 采樣部分原理圖 2) 程序設計 主控程序首先會初始化和配置PSoC?4的內部資源，然后進入主循環。主循環主要檢測用戶的起停命令和速度給定，決定電機的運動狀態;并完成一定的調試輸出功能。FOC主算法全部在PWM中斷中完成，主要完成讀取ADC采樣結果，完成坐標變換，PID控制，SVPWM輸出及更新占空比等操作。具體流程圖如圖5所示。 圖5 程序流程圖 3) 實驗結果 在PSoC Creator環境下編譯工程，并連接PSoC4開發板，三相全橋驅動板與PMSM電機，通電后電機可正常運行。圖6顯示了電機相電流波形。從測試結果可以看出，電流波形平滑，正弦度很好。 圖6 相電流波形圖 2. 小結 上述實例介紹了如何在PSoC?4 平臺上實現PMSM無傳感器矢量控制。PSoC?4作為Cypress最新推出的產品，針對電機控制做出了富有特色的優化。憑借片內豐富的資源及高度的靈活性，用戶可以輕松設計出高度集成化、低成本、性能優越的PMSM矢量控制系統，提高產品的核心競爭力。 參考文獻 [1]. PSoC? 4: PSoC 4100 Family Datasheet [2]. PSoC? 4: PSoC 4200 Family Datasheet [3]. PSoC? 4 Architecture TRM [4]. PSoC 4100/4200 Family PSoC? 4 Registers TRM (Technical Reference Manual) [5]. AN79953 - Getting Started with PSoC? 4 |
