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基于降阶隆伯格观测器的永磁同步电机转子位置估算

2021-03-30 15:27:19 钱敏,MCU32产品部应用工程师,Microchip Technology Inc. 阅读:
本文介绍如何使用降阶隆伯格观测器(ROLO)估算永磁同步电机(PMSM)的转子磁链位置。首先介绍特征值与稳定性的关系;在此基础上,引入状态反馈控制的理念;接着介绍如何使用该理念来设计隆伯格观测器;然后,以PMSM为例,推导ROLO的设计过程,给出设计结果;最后,介绍Microchip的相关电机控制方案(评估套件、例程和文档等)。

一、概述

永磁同步电机(PMSM)的磁场定向控制(FOC)在近十几年成为了主流的电机控制方法。其中,无位置传感器FOC由于其低成本和高可靠性,获得了越来越多的应用和关注。由于没有位置传感器,所以必须估算转子磁链位置。由于在旋转过程中,转子磁链生成反电动势(BEMF),并且BEMF超前转子磁链π/2弧度,所以可以利用对BEMF进行观测,进而估算转子磁链。降阶隆伯格观测器(ROLO)是一种常用的BEMF观测手段。2MOednc

一方面,工程师可能不具备设计观测器所需的背景知识;另一方面,产品开发项目必须尽快且高质量地完成。尽管可以找到背景知识的相关教材,但由于其缺少针对性,所以工程师不得不花费大量时间进行学习。该矛盾经常成为制约产品开发进度和质量的瓶颈。针对此困境,ROLO由于其原理简单,成为了能短时间掌握的优选方案。2MOednc

本文针对PMSM控制所需,筛选出最少量的必需知识,按照逻辑顺序阐述利用ROLO观测BEMF的原理。此外,还介绍了Microchip的相关电机控制方案。读者可以借此快速掌握原理,并且上手实践和熟悉。2MOednc

二、特征值与稳定性

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三、状态反馈控制

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四、隆伯格观测器

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五、观测PMSM的BEMF

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六、Microchip的ROLO方案

Microchip的基于ROLO的PMSM无传感器控制方案提供例程、评估套件、开发工具和帮助文档。2MOednc

例程位于MPLAB Harmony 3的motor control模块中,是一个运行在Cortex-M0+MCU(SAMC21)之上的MPLAB X工程:pmsm_foc_rolo_sam_c21。2MOednc

该演示方案可以运行于MCLV2低压电机控制评估套件或MCHV3高压电机控制评估套件。两款评估套件均可在Microchip官网搜索并订购。2MOednc

该例程利用图形化配置工具MPLABHarmony配置器(MHC)生成。使用MPLABXIDE打开该工程,并打开MHC,就可以看到CPU和所需片上周边(PWM模块和ADC等)的配置情况,如图1所示。2MOednc

相应的帮助文档也位于MPLABHarmony3的motorcontrol模块中。其中介绍了如何搭建硬件平台、编译和下载工程、算法原理框图、软件流程图、软件配置方法等,如图2、图3、图4、图5所示。2MOednc

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图1:例程的MHC配置。2MOednc

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图2:电机控制算法框图。2MOednc

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图3:软件流程图。2MOednc

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图4:软件配置方法——电机参数宏定义列表。2MOednc

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图5:低压电机控制硬件连接。2MOednc

七、总结

本文从PMSM的ODE模型开始,逐步介绍了基于ROLO的BEMF观测器的设计理念和方法;并且介绍了Microchip的相关方案。读者可以利用这些资源快速掌握原理并上手实践、熟悉PMSM的无传感器控制方法,以加快项目开发进度和提升产品性能。2MOednc

八、参考文献

1. AN2590, Sensorless FOC for PMSM Using Reduced Order Luenberger Observer, Microchip Technology. (https://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00002590B.pdf2MOednc

2. MPLAB Harmony 3: motor control module. (https://gitee.com/Microchip-MPLAB-Harmony/motor_control2MOednc

3. Microchip工程师社区知识库:《Harmony 3电机控制资源初探》(http://www.microchip.com.cn/newcommunity//Uploads/H3_Chinese_guides/guide-17.pdf2MOednc

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