FOC及無感控制的算法移植指南

1、FOC及無感控制的算法移植指南1、下載正確的FOC源代碼目前市面上主流的能驅動電機的 MCU?；旧隙紟в?FOC庫。很多公司還提供可以用于修改的 FOC源代碼。還有些甚至于提供了無位置算法的源代碼?？梢韵螺d到代碼的有 ST， TI， MICROCHIP， NXP， RENESAS等芯片公司。直接到官網(wǎng)下載即可。為保證代碼的可行性， 最好從官網(wǎng)下載代碼。 不要從第三方下載。 避免產(chǎn)生不必要的調(diào)試過程。2、找到與芯片的硬件初始化相關的代碼。ADC 部分的初始化。不同的芯片，ADC工作模式不同。ADC的初始化方法以及數(shù)據(jù)采樣方法不同。ADC的采樣，根據(jù)電路結構不同。完全不同。單電阻采樣模式。需要在

2、一個三角波內(nèi)，進行兩次ADC采樣。而且軟件還要特殊處理。才能做到采集的數(shù)據(jù)。這種方式下。ADC需要有一個專用的定時器配合來實現(xiàn)ADC采樣。兩電阻或電流傳感器方式下，ADC 有兩種模式可以實現(xiàn)。一種是在波峰或波谷的前后一點位置處，觸發(fā)ADC 采樣。另一種方式，就是在定時器的波峰或波谷中斷進入后，第一時間進行 ADC采樣。ST的 ARM 芯片CORTEX-M0系列，由于只有一組證。所以， 數(shù)據(jù)采集通常采用DMA中。ADC單元，且的方式。 將多個ADC轉換出來的結果只有一個緩沖區(qū)保ADC采樣到的數(shù)據(jù)緩存到一個 ADC數(shù)組如 M3 或 M4 等系列。 MCU 有兩組 ADC 單元。可以一次性采樣兩個通

3、道。在波峰波谷中斷的模式下，可以設成分時采樣不同的通道。也可以用DMA 方式采樣（ ST 的 2 個 ADC單元，輸出結果地址是相連的。且剛好組成了一個32 位數(shù)，用DMA 方式，可以一次將兩個 ADC單元的結果全部采樣出來。）RENESAS等芯片， ADC 的輸出結果是根據(jù)通道來設定的緩沖。因此，只需要觸發(fā)ADC即可。 ADC轉換后的數(shù)據(jù)， 分開存放在不同的寄存器當中。所以，這類芯片， 可以省掉DMA的操作方法。定時器部分定時器根據(jù)電機的載頻來設定。生成三角波 （遞增計數(shù)到設定值以后，開始遞減計數(shù)） 。需要處理的內(nèi)容，分別是互補的死區(qū)設定、中斷的方式（上溢中斷、下溢中斷、上 / 下溢中斷）。

4、中斷的頻率（ 16K 的 PWM 頻率，可以設定 8K 的電流或 4K 的電流環(huán)。利用中斷次數(shù)控制來實現(xiàn)）。編碼器部分不同的芯片，對于正交編碼器的接口不同。接到不同的 IO 引腳上。然后選擇正確的定時器資源來實現(xiàn)自動計數(shù)功能。FO 保護（自動剎車控制）FO 保護由IPM 或 IGBT 驅動或單獨設計的電路產(chǎn)生信號。通過專用的保護引腳來實現(xiàn)MCU 自動關閉 PWM 輸出。從而實現(xiàn)負載突然短路的情況下， 快速關閉輸出。 保護電路不受影響。 這個引腳，在很多芯片廠家， 是有數(shù)字濾波參數(shù)可以設定。 用來避免突然出現(xiàn)的小尖鋒干擾。3、FOC代碼部分一般 FOC代碼函數(shù)分成：ADC采樣處理，采樣電機的電流

5、，可以采樣IA,IB,IC。也可以采樣IA 和IB（當然，采樣IB 和 IC 也可以，但需要計算一次得到。根據(jù)流，求出第三相的電流。單電阻采樣，也會生成IA+IB+IC=0的公式可以根據(jù)其中的任意兩項電IA 和 IB 兩組電流。Clarke 變換，將 ADC 采樣到的三相電流合成兩相電流。生成 I_alpha 和 I_beta 兩個電流。Park 變換，將 alpha 和 beta 兩個電流與電相度通過三角函數(shù)的方式。合成 ID 和 IQ 電流。InvPark 變換（反Park 變換），將VD 和 VQ 轉換成 Valpha 和 Vbeta.InvClarke 變換（反Clarke 變換） ,

6、將 Valpha 和 Vbeta 轉換成三相電壓值。扇區(qū)計算，通過三相電壓，計算出正確的扇區(qū)值。PWM數(shù)據(jù)輸出，根據(jù)扇區(qū)值和三相電壓值，計算出三路PWM值。4、調(diào)試技巧1、確認硬件的接入正常上電后，先對IA， IB， IC 的輸入 AD 進行監(jiān)測?？纯戳泓c狀態(tài)的AD 是否正常。通常零點的AD 都設在 1/2 的 VCC附近。以12 位的 ADC 為例，這個零點的ADC 是 2048正負100 以內(nèi)。然后，對母線電壓的 ADC 進行監(jiān)測。特別是用到了無位置或母線電壓補償?shù)乃惴āδ妇€電壓的準確性，要求比較高。 母線電壓太低或太高，都將導致輸出的不正常（嚴重時，電機都無法運轉）。最后，對于有位置傳

7、感器的硬件， 旋轉一下電機。 查看一下編碼器的 A/B/Z ，U/V/W輸入信號是否正常。2、確認IQ 和ID 的極性的正確。注：為防止硬件受損。程序做個最長時間的控制。進入設 0.5 秒到 1 秒。軟件自動關閉輸出。PWM輸出以后，最長工作時間將 PID 控制部分屏蔽掉。給 VD 和 VQ 設一個固定值。可以試著設定 5V。根據(jù)當前的母線電壓。 5/ 母線電壓 *VDVQ 的最大值。例：母線是 60V， VDVQ 的最大值是 32768，則設定VD=5/60*32768先設VD=5V， VQ=0，用軟件示波器查看，電流檢測的IA,IB 或IC， I_alpha 、 I_beta， ID、IQ

8、。正確的情況下，ID 比 IQ 大很多 ,且 IQ 基本上趨于0,ID 是正數(shù)的電流。剛開始電機可能會轉一下。這是因為電機當前的角度不在0 點附近。這個時候，ID 會出現(xiàn)變化。但第二次以后，電機的停止位置處于0 點附近。很明顯的看到ID 電流是一個直線。再設 VQ=5V,VD=0,用軟件示波器查看，可以看到IQ 電流明顯大于ID 電流。且 ID 基本上趨于 0。 IQ 電流是正數(shù)。通過以上操作。如果IQ 和ID 都是正常狀態(tài)。則表示電流檢測的軟件和硬件是正確的?？梢赃M入下一步操作。調(diào)試過程中，如果IQ 和ID 出現(xiàn)了電流是負數(shù)。有以下幾種可能A、電流檢測的方向出錯。CurA = CurA_Of

9、fset - NowAB、 IA 和 IB 的引腳對應錯了。或CurA = NowA - CurA_OffsetC、 PWM 的方向可能有錯。三角波的PWM 。0RPM 輸出的時候， PWM 輸出并不是0，而是載頻周期的一半。以ST 為例： PWM 有兩種模式。PWM1 和 PWM2 兩種模式下的數(shù)值剛好是反的。給PWM 占空比賦值的時候，一種是直接把計算值輸出。另一種是用周期-計算值輸出。3、強拖運轉測試及電流檢測標幺值檢測當?shù)谝徊酵瓿梢院螅?就要試著強拖一次。看看電機是否能正常運轉。關鍵是針對有編碼器的系統(tǒng)。查看一下電機運轉方向所顯示出來的編碼器的AB 方向是否正確。強拖測試，可以不需要任

10、何傳感器的介入。也不需要關心電機的UVW 動力線是否連接正確。強拖的方法：首先，設一個固定大小的IQ 數(shù)據(jù)，且初始的電角度為0。如果電機是空載，那么這個電流可以設為1A 左右。這個電流下，持續(xù)1 秒鐘內(nèi)，電角度始終為0， 1 秒鐘以后，電流可以減少1/2，電角度按 200RPM 左右的速度增加。200RPM 是機械角度。轉換成電角度時，要乘以電機的極對數(shù)。通常折算每MS 增加多少個電角度，以 200RPM 為例： =200/60*360/1000*PP ，其中 PP 為電機的極對數(shù)。這樣強拖10 圈以上，就可以停止了。電流檢測標幺值正確性驗證：最好用兩個電流探頭（如果只有一個探頭，可能需要多強

11、拖幾次，保證所采樣的電流是正確的。最好把強拖關閉，只做定位），分別接到電機的動力線上。查看軟件設定的1A 電流，與實際的1A 是否符合。如果不符合，則需要檢查電流檢測電路是否出問題或者放大倍數(shù)計算是否有誤等。強拖環(huán)節(jié)的另一個關鍵點是，編碼器數(shù)據(jù)的方向。如AB 和 UVW 方向。因為強拖是角度增加，假定這個方向為正轉。那么最好是AB 是增加。如果 AB 是減少。有一個軟件辦法解決。 （ NOW_AB = 0XFFFF，僅限于 16 位計數(shù)器 )，這樣操作一下?？梢愿淖儤O性。4、速度傳感器的加入采用增量式編碼器的系統(tǒng)。速度計算，有兩種方法M 和 T。分別是采樣脈沖寬度（用于低速檢測）和脈沖個數(shù)（中

12、高速）。簡單的操作，直接采用T（計數(shù)）方法。由于低速比較難統(tǒng)計到個數(shù)。因此，速度采樣通常設為 2MS 采樣一次。以200RPM 且編碼器為360 線為例： =200/60* （ 360*4 ）/1000*2, 則每 2MS， AB 變化9.6個。速度計算采用AB 個數(shù) *AB/1MS對應的速度。1AB/(360*4)*1000*60=41.6666RPM，由于是 2MS 采樣一次， 所以 AB/2MS=20.8333RPM，因為是小數(shù)，采用Q8格式以后 =5333 ，若 2MS 內(nèi)，變化AB 個數(shù)為10 個，=10*5333/256=208RPM由于低速時， AB 個數(shù)變化對速度的統(tǒng)計影響比較

13、大。因此，通常將速度計算分成高速和低速兩種計算結果。 低速計算時， 加入一級低通濾波。 這樣得到的低速就會比較平滑一些。做低速控制時，電機不容易抖動。5、位置傳感器的加入（扇區(qū)）當系統(tǒng)加入了UVW 扇區(qū)位置檢測以后，可以使得電機啟動時，直接在扇區(qū)內(nèi)啟動，無需再增加定零位了。相當于已知當前的電角度，可以快速啟動。針對 UVW 扇區(qū)傳感器，有兩種操作方式。一種是UVW 傳感器的安裝位置與轉子位置是完全固定的。因此，任意互換電機后，角度是基本上一致的。還有一種是UVW傳感器的安裝與轉子位置并非完全一致。碰到這種情況，就需要將這個電機的UVW 信息與電角度做配對操作。實際上，無論是哪一種安裝方式。第一

14、次使用FOC的時候，都有一個配對的過程。這個過程，實際上也是利用強拖來完成。以下方法，適用于帶AB 的系統(tǒng)操作。強拖開始時，有個定位過程。這個過程是強制電機運轉到零位。為了操作簡單化，UVW 的配對操作。定位時，采用ID=設定。 IQ=0 的方法。這樣的操作，是為了方便后續(xù)的電角度直接使用。針對帶 AB 的系統(tǒng)。強拖定位時間完成時，將AB 的當前計數(shù)清零。將當前的UVW信息存儲起來。強拖過程中，對 UVW 信息進行連續(xù)檢測。 當檢測到的UVW 信息與存儲起來的UVW信息不同時，將當前的AB 角度、扇區(qū)UVW 信息存起來。并更新UVW 存儲信息。當連續(xù)檢測到2 個或以上的機械角度以后。停止強拖。

15、開始統(tǒng)計信息。統(tǒng)計時，第一步將AB 角度轉換成電角度。超過一圈電角度的，取電角度的模。第二步將多組電角度進行求平均處理。得到每個扇區(qū)所對應的電角度數(shù)據(jù)。第三步將這些數(shù)據(jù)存儲起來，寫入FLASH或 EEPROM中。做為以后運轉的計算用。后續(xù)電機啟動時，根據(jù)當前的扇區(qū)號。取出當前扇區(qū)的數(shù)據(jù)和下一個扇區(qū)的數(shù)據(jù)，兩者相加除 2（程序要處理數(shù)據(jù)越界現(xiàn)象），得到中間角度值。然后，以這個角度值，直接啟動即可。且要求在檢測到下一個 UVW 信號沿的時候，更新一次角度（根據(jù)電機的運轉方向，賦不同方向 UVW 所對應的電角度的邊沿值）。5、其它技巧1、編碼器AB 個數(shù)的處理。在使用編碼器的AB 計數(shù)時，可以利用數(shù)

16、字溢出的原理來解決極性問題。使用16位的寄存器全員值，0-65535，本次的計數(shù)減去上一次的計數(shù)，得到一個Delta_AB。正轉的時候，這個數(shù)字會是正向增加的。用一個有符號的16 位數(shù)據(jù)來處理這個數(shù)據(jù)，非常簡單。機械角度，旋轉一圈以后，CPR*4，剛好是一圈的機械AB 個數(shù)。超過這個數(shù)據(jù)的時候，即進入下一圈的角度了。機械角度也一直累加Delta_AB 即可。當超過CPR*4 時，減去一個 CPR*4 即可。當數(shù)據(jù)小于0 時，加一個CPR*4即可。2、Q 格式在計算過程中， 經(jīng)常會出現(xiàn)小數(shù)。但便宜單片機往往不支持浮點運算。因此。必須使用 Q 格式來完成計算。但 Q 格式在使用時，一定要注意。Q 格式運算是有損的。Q 格式的格式越大，計算的變量越大。如果超過64 位。則很難參考計算。所以，Q 格式計算時，往往需要根據(jù)變量的有效范圍，預先計算好Q 格式的范圍。如果數(shù)據(jù)結果是16 位，數(shù)據(jù)源在256 以內(nèi)，那么 Q 格式最大不能越過8，否則就會出現(xiàn)越界現(xiàn)象。Q 格式在數(shù)據(jù)計算時，因為精度有限， 長時間累加的時候，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)慢慢丟失的現(xiàn)象。精度要求高一的點的計算。通常