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(qū)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。可以下載到代碼的有 ST, TI, MICROCHIP NXP, RENESA潞芯片公司。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(guān)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(jié)構(gòu)不同。完全不同。單電阻采樣模式。需要在一個三角波內(nèi)，

2、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-M陳列，由于只有一組 ADC單元，且ADC轉(zhuǎn)換出來的結(jié)果只有一個緩沖區(qū)保 證。所以，數(shù)據(jù)采集通常采用 DMA的方式。將多個ADC采樣到的數(shù)據(jù)緩存到一個 ADC數(shù)組 中。如M3或M4等系列。MCU有兩組ADC單元?？梢砸淮涡圆蓸觾蓚€通道。在波峰波谷 中斷的模式下，可以設

3、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(jié)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(jié)果全部采樣出來。）RENESAS芯片，ADC的輸出結(jié)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(zhuǎn)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）。中斷的頻率（16K的PWM頻率，可以設定 8K的電流或4K的電流

4、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(qū)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(guān)閉PWM 輸出。 從而實現(xiàn)負載突然短路的情況下，快速關(guān)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，可以采樣IA,IB,ICo也可以采樣IA和舊（當然，采樣舊和IC也可以，但需要計算一次得到。根

5、據(jù)IA+IB+IC=0的公式可以根據(jù)其中的任意兩項電流，求出第三相的電流。單電阻采樣，也會生成IA和舊兩組電流。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(zhuǎn)換成 Valpha和Vbeta.InvClarke變換（反 Clarke變換），將Valpha和Vbeta轉(zhuǎn)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

6、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。看看零點狀態(tài)的AD是否正常。通常零點的AD都設在1/2的VCC附近。以12位白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?。對母線電壓的準確性，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(zhuǎn)）。最后， 對于有位置傳感器的硬件，旋轉(zhuǎn)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PWM 輸出以后，最長工

7、作時間設 0.5秒到 1 秒。軟件自動關(guān)閉輸出。將PID控制部分屏蔽掉。給 VD和VQ設一個固定值?？梢栽囍O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。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(zhuǎn)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

8、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。可以進入下一步操作。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_Offset - NowA 或 CurA = NowA - CurA_OffsetB、IA和舊的引腳對應錯了。C、 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。

9、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(zhuǎn)測試及電流檢測標幺值檢測當?shù)谝徊酵瓿梢院?，就要試著強拖一次?？纯措姍C是否能正常運轉(zhuǎn)。關(guān)鍵是針對有編碼器的系統(tǒng)。查看一下電機運轉(zhuǎn)方向所顯示出來的編碼器的AB 方向是否正確。強拖測試，可以不需要任何傳感器的介入。也不需要關(guān)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200

10、RPM 左右的速度增加。200RPM 是機械角度。轉(zhuǎn)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，可能需要多強拖幾次，保證所采樣的電流是正確的。最好把強拖關(guān)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(guān)鍵點是，編碼器數(shù)據(jù)的方向。如AB 和 UVW 方向。因為

11、強拖是角度增加，假定這個方向為正轉(zhuǎn)。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 A= 0XFFFF僅PM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

12、。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)計影響比較大。因此，通常將速度計算分成高速和低速兩種計算結(jié)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，

13、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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)到零位。為了操作簡單化，UVW的配對操作。定位時，采用ID啾定。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)

14、。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。開始統(tǒng)計信息。統(tǒng)計時，第一步將AB角度轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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

15、（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(zhuǎn)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)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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

16、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(jié)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。通常保留Q格式