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(xiàn)象 SoC?4內(nèi)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(guān)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，F(xiàn)OC，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(yōu)點而廣泛應(yīng)用于航空、航天、工業(yè)等領(lǐng)域。在PMSM驅(qū)動系統(tǒng)中, 無位置傳感器空間矢量控制技術(shù)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(zhuǎn)變壓器、編碼盤等)帶來的系統(tǒng)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(diào)壓縮機等。PMSM無位置傳感器空間矢量控制技術(shù)的難點在于轉(zhuǎn)子位置的估算,近年來許多學(xué)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(yīng)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(tǒng)參數(shù)變化及外界擾動不敏感、易于工程實現(xiàn)等優(yōu)點,在交流調(diào)速系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。本文將討論基于滑模觀測器的無傳感器矢量控制技術(shù)。 2. PMSM無傳感器矢量控制原理 狀態(tài)觀測器的實質(zhì)就是重構(gòu)控制系統(tǒng)的狀態(tài)，將原系統(tǒng)中可以直接測量的變量作為新構(gòu)造系統(tǒng)的輸入信號，并使構(gòu)造新系統(tǒng)的輸出信號在一定條件下等于原系統(tǒng)的狀態(tài)。滑模變結(jié)構(gòu)控制就是根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)的不同，反饋控制器的結(jié)構(gòu)按照事先規(guī)定的控制法則有目的地、不斷地變化。通過控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不斷變化，最終使得系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以極高的頻率來回切換，系統(tǒng)的狀態(tài)點做高頻的上下穿越運動即滑模運行。由于變結(jié)構(gòu)控制的這種獨特的不連續(xù)的控制特點，它對被控對象的數(shù)學(xué)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(shù)的變化和外部干擾，這些都不會對變結(jié)構(gòu)控制的控制精度產(chǎn)生較大的影響，即變結(jié)構(gòu)控制對外界的干擾有很強的魯棒性。 變結(jié)構(gòu)控制的基本原理是：在變結(jié)構(gòu)控制中，控制量根據(jù)設(shè)定的控制法則在u+(x) 或u?(x) 之間切換. 變結(jié)構(gòu)控制就是根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)的不同，反饋控制器的結(jié)構(gòu)按照事先規(guī)定的控制法則有目的地、不斷地變化，最終使得系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以極高的頻率不停地來回切換，系統(tǒng)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(tài)叫做“滑模狀態(tài)”。此時，這種變結(jié)構(gòu)控制就叫滑模變結(jié)構(gòu)控制。此時，稱S(x)=0 被稱作滑模面，S=S(x) 為切換函數(shù)。 滑模觀測器設(shè)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(biāo)變換，通過坐標(biāo)變換將采樣所得的三相電流轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)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(shè)置為0實現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩控制。三相電流采樣重構(gòu)后經(jīng)過滑模觀測器，一方面獲得轉(zhuǎn)子位置角，用于坐標(biāo)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(xiàn)逆變驅(qū)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(tǒng)控制器家族，它集合了可編程模擬資源、可編程內(nèi)部互聯(lián)、用戶可編程數(shù)字邏輯、通用的固定功能外設(shè)計以及高性能的ARM Cortex-M0 CPU子系統(tǒng)。相對于PSoC3、PSoC5系列產(chǎn)品的各個方面, PSoC?4都做了很大的改進。PSoC?4現(xiàn)包含CY8C4100 和CYCY8C4200兩個產(chǎn)品系列，PSoC4100系列是基于ARM內(nèi)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(chǎn)的產(chǎn)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(shù)字模塊(UDB)。以下概括了其主要特性。 · 高性能 Cortex-M0 CPU 內(nèi)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(shù)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(qū)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(tǒng)。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(yīng)(CapSense)模塊，提供極佳的信噪比和防水功能;兩個電流數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (IDAC)。 · 高度可編程的數(shù)字邏輯。四個可編程數(shù)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(shù)據(jù)運算單元 。 · 靈活可編程的內(nèi)部互連。 基于PSoC4的無傳感器矢量控制方案 PSoC4?內(nèi)部集成四個獨立的可支持中央對齊、互補的可編程死區(qū)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(nèi)資源可將主控電路所需芯片集成到一片芯片中，實現(xiàn)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(nèi)部運算放大器，經(jīng)放大后通過內(nèi)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(qū)動PMSM運轉(zhuǎn)。 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(yōu)勢： 1) 采用高性價比的Cortex-M0內(nèi)核。Cortex-M0是市場上現(xiàn)有的最小、最節(jié)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(jié)約系統(tǒng)成本。 2) 內(nèi)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(tǒng)BOM表中移除外部運放，減少系統(tǒng)成本。 3) 內(nèi)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(shè)及其他豐富的模塊，可實現(xiàn)高度集成化的設(shè)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(yīng)用尤其重要。 6) 靈活的通訊接口。PSoC特殊的可編程架構(gòu)提供了極為靈活的通訊接口，可滿足各種應(yīng)用的需求。 基于PSoC4的設(shè)計實例 PSoC 4采用PSoC Creator集成設(shè)計環(huán)境，PSoC Creator允許用戶拖放預(yù)先配置好的、可隨時投產(chǎn)的模擬和數(shù)字IP模塊，也就是PSoC組件到自己的設(shè)計之中，并將其按照多種應(yīng)用需求進行配置，實現(xiàn)軟硬件協(xié)同設(shè)計，創(chuàng)建真正屬于自己的器件。PSoC4能提供數(shù)十種免費的PSoC組件(Components?), 可適用于很多類應(yīng)用. 1) 原理圖設(shè)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(shè)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(shù)器，這些計數(shù)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(qū)，還支持一個關(guān)斷輸入信號來強迫輸出信號進入預(yù)先設(shè)定的狀態(tài)。 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(qū)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(qū)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(shù)器向下計數(shù)達(dá)到“0”)觸發(fā)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(shù)器向上計數(shù)達(dá)到周期寄存器中的值)觸發(fā)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(xiàn)了三對嚴(yán)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(chǎn)品的競爭力。 圖3三相PWM原理圖 采樣部分主要負(fù)責(zé)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(nèi)部運放放大器(Opamp_1, Opamp_2)，電路形式采用差分放大形式，相關(guān)阻容在芯片外部。信號經(jīng)放大器放大后直接由內(nèi)部進入SAR ADC模塊進行采樣。SAR ADC模塊能夠?qū)崿F(xiàn)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(shè)計 主控程序首先會初始化和配置PSoC?4的內(nèi)部資源，然后進入主循環(huán)。主循環(huán)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(tài);并完成一定的調(diào)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(jié)果，完成坐標(biāo)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(jié)果 在PSoC Creator環(huán)境下編譯工程，并連接PSoC4開發(fā)板，三相全橋驅(qū)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(jié)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(jié) 上述實例介紹了如何在PSoC?4 平臺上實現(xiàn)PMSM無傳感器矢量控制。PSoC?4作為Cypress最新推出的產(chǎn)品，針對電機控制做出了富有特色的優(yōu)化。憑借片內(nèi)豐富的資源及高度的靈活性，用戶可以輕松設(shè)計出高度集成化、低成本、性能優(yōu)越的PMSM矢量控制系統(tǒng)，提高產(chǎn)品的核心競爭力。 參考文獻(xiàn) [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 |
