无感foc风机控制原理.pdf

无传感器磁场定向控制（FOC） 风机控制原理 主要内容  风机用直流无刷电机  FOC的控制原理  无感FOC的控制原理 主要内容  风机用直流无刷电机  FOC的控制原理  无感FOC的控制原理 FAN Motor ACIM BLDC/PMSM 梯形波控制 简易正弦波控制 无感FOC控制 风机用电机以及控制方式 效率效率 噪声噪声 风机用直流无刷电机  基本组成：定子绕组、转子、机体 AC定子电流 转子为永磁体  两种类型 BLDC：直流无刷电机 PMSM：永磁同步电机  差异性 PMSM的反电动势为正弦波 BLDC的反电动势为梯形波 主要内容  风机用直流无刷电机  FOC的控制原理  无感FOC的控制原理 FOC的基本概念  定义 FOC——Field Oriental Control，磁场定向控制 又称“矢量控制”，是通过控制变频器输出电压的幅值和频率控制三相交流 电机的一种变频驱动控制方法 基本思想 通过测量和控制电机的定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对电机的励 磁电流和转矩电流进行控制，从而将三相交流电机等效为直流电机控制。

实现步骤 通过坐标变换，将三相静止坐标系转化为两相旋转的坐标系，从而使三相 交流耦合的定子电流转换为相互正交，独立解耦的转矩与励磁分量，从而 到达类似于他励直流电动机通过控制转矩电流直接控制转矩的目的 FOC的结构框图  FOC结构框图 FOC的控制核心——坐标变换 FOC的控制核心——坐标变换  坐标系 － 定子坐标系（静止） ― A－B－C坐标系（三相定子绕组、相差120度） ― α－β坐标系（直角坐标系：α 轴与A轴重合、 β 轴超前α 轴90度） － 转子坐标系（旋转） ― d－q坐标系（d轴－转子磁极的轴线、q轴超前d轴90度 ） － 定向坐标系（旋转） ― M－T坐标系（ M轴固定在定向的磁链矢量上，T轴超前M轴90度 ） 转子磁场定向控制－－ M-T坐标系与d-q坐标系重合 坐标变换过程 Park 逆变换逆变换 FOC的控制核心——SVPWM FOC的控制核心——SVPWM  空间矢量 根据功率管的开关状态（上管导通是“1”，关闭是“0”）定义了8个 空间矢量其中000和111是零矢量 FOC的控制核心——SVPWM  扇区 空间矢量构成6个扇区 确定Vref位于哪个扇区，才能知道用哪对相邻的基本电压 空间矢量去合成Vref 。

Motor.emfAB CD EFABCDEF[100][011][010][101][110][001][100][110][010][011][001][101][100]NSNSNSNSNSNSIUIVIWMotor.emfAB CD EFABCDEF[100][011][010][101][110][001][100][110][010][011][001][101][100]NSNSNSNSNSNSIUIVIWFOC的控制核心——SVPWM  参考电压矢量合成 利用基本电压空间矢量的线性时间组合得到定子参考电压Vref eg. 位于A区 FOC的控制核心——SVPWM  七段式SVPWM，由3段零矢量和4段相邻的两个非零矢量组成3段零 矢量分别位于PWM的开始、中间和结尾  非零电压空间矢量能使电机磁通空间矢量产生运动，而零电压空间矢 量使磁通空间矢量静止 FOC的控制核心——SVPWM  五段式SVPWM，有两种方式  为方便电流采样通常采用V0矢量方式 使用V0矢量 使用V7矢量 7段SVPWM、5段SVPWM端电压对比 7段SVPWM、5段SVPWM选择 比较内容比较内容 SVPWM模式模式 7段SVPWM 5段SVPWM 1 THD 较低，性能好 较高，性能差 2 开关损耗 较高 减少1/3 3 功率开关 多 少 4 调制波形 连续 不连续 5 母线电压利用率 一致 FOC的控制要素—电流采样输入 FOC的控制要素—母线电流  母线电阻电流采样 SVPWM开关 VS 直流母线电流 SVPWM.emftTPWMVUttVVVWtIDClinkT0/2TUT-WT0T-WTUT0/2abcdfgeSVPWM.emftTPWMVUttVVVWtIDClinkT0/2TUT-WT0T-WTUT0/2abcdfgeFOC的控制要素—母线电流还原相电流  母线电阻电流采样 通过直流母线侧一个电阻，实现一个周期内两相电流的测量，第三相电 流由 得到。

SVPWM开关 VS 直流母线电流 FOC的控制要素—相电流采样  单电阻ADC采样 SVPWM单直流母线电阻采样 CC83 ST信号用来硬件触发ADC 3 Phase PMSMPower MOSFETADC ChannelFOC的控制要素—桥臂电流采样  双/三电阻电流采样 桥臂电阻采样 3 Phase PMSMPower MOSFETADC Channel 6ADC Channel 7T0/4T0/4T0/4T0/4T1/2T2/2T1/2 T2/2S1S3S5tdttttt采样时刻电流采样方式选择 比较内容比较内容 电流采样方式电流采样方式 母线电阻 双电阻 三电阻 1 MCU运算开销 大 小 中 2 支持电机运行范围 大 略低 大 3 硬件需求 1shunt+高带 宽运放 2 shunt +普 通带宽轨到轨 双运放 3shunt +普通 带宽轨到轨四 运放 4 电路一致性 好 一般 差 5 电流还原效果 略差 好 好 FOC的控制要素—闭环控制  速度和转矩闭环控制 内环电流环 矢量控制算法分别控制d－q轴电流，采用PI调节器 外环转速环 速度测量值与转速设定值比较，经PI调节器调节 主要内容  风机用直流无刷电机  FOC的控制原理  无感FOC的控制原理 无感FOC的控制框图 电机转子位置和速度信息来自估算器而不是传感器 无感FOC的控制核心——转子位置估算  PMSM电机模型 静止坐标系下电压方程  为定子磁链，  为转子磁链（旋转磁链）， 为电感电势 0d 0dssssssssuiR uiRt 0 0fsssfsssiL iL ss,ff,ssssiLiL,无感FOC的控制核心——转子位置估算  转子位置估算方式 角度位置、速度估算 ―反正切法 ―将计算得到的两相正交磁链直接反正切计算，得到转子角度 ―根据得到的角度，计算速度 ―PLL锁相环法 ―将两相正交磁链输入二阶跟踪系统，通过闭环控制得到转子转速和位置信息 转子位置估算PLL  PLL 计算角度原理  PLL 优势： 高频噪声有滤波作用 直接可以计算得到速度 角度突变较小（速度积分） 转子位置反正切估算 反正切法 角度位置计算 速度估算 对角位置进行差分计算，再经过一阶低通滤波计算速度 无感启动方式 电机启动经历锁定、开环、闭环三种运行状态 启动---角度切换 从开环切换到闭环是关键步骤 采用逐步切换减小切换的电流变化 实验波形 。