★刘志鹏，张安东（贵州航天林泉电机有限公司苏州分公司，江苏苏州215000）

关键词：无感FOC；电机控制；可换向；试验验证

1 引言

永磁同步电机因其寿命长、效率高、可靠性强、体积小的特点被运用于各种场合，相较于传统的方波控制，目前较为高效的FOC控制策略被广泛应用于永磁同步电机的驱动控制^[1]。FOC控制算法的精确程度主要取决于控制器对电机转子角度检测的准确性^[2]，目前对于电机转子角度观测策略大致分为有感、无感两种，其中有感FOC主要依靠霍尔传感器、光电编码器以及旋转变压器等位置传感器提供转子信息^[3]。

有感FOC控制策略对转子位置测量精度较高，电机控制效果较好，但对电机尺寸、造价以及外部环境有一定要求，不适用于低成本以及较为恶劣的工作环境^[4]。无感FOC控制策略通过读取电机内部状态以获取电机转子角度^[5]，用以实现电机驱动，具有成本低、可靠性强等特点^[6]，被广泛应用于空调压缩机、水泵、风扇等作业场所。

国内无感FOC控制策略多用于单向驱动电机运行，对电机换向驱动控制研究与应用较少。针对该种情况，本文以可换向无感FOC控制策略为研究对象，设计了一种可换向的无感FOC控制策略，并进行试验验证。

2 转子位置估算原理

与有感控制策略不同，本文无感控制策略通过估算电机运行状态下的反电势，经过正反切计算估算得出实际转子角度，以实现无位置传感器状态下电机转子角度的读取。

2.1 初始角度确定

与有感控制策略不同，无感FOC需对电机初始角度进行设定，为后续计算角度读取提供初值。

2.2 反电势计算

根据电机模型公式（1）：

 ^（1）

可知在运行状态下，通过对电机输入电流、电机输入电压读取，可得出电机当前状态下反电势具体数值，但该状态下的电机模型与电机实际状态模型具有一定区别，所得的反电势数值误差较大，为确保建立模型与电机实际状态相符，本文以电机电流为变量，设计添加滑模观测器。

2.3 滑模观测器建立与转子角度计算

本文选用两种方式用以表示电机，一种是电机本体，另一种为控制器内部软件，两种使用同一输入电压（Vs），以电机实际电流（Is）与电机估算电流（Is*）之间差值作为分析对象。

滑模观测器原理如图1所示，对于线性范围外的误差值，滑模观测器输出为（+Ksiled）或（-Ksilde），符号取决于误差值符号，线性内的区域则将计算后的结果输出。每个计算周期均重复一遍该过程，随着计算次数的增加，电机实际模型与估计模型基本一致，使得估计反电势与实际反电势基本一致。

图1 滑模观测器原理图

通过公式（2）：θ=arctan(eα,eβ)（2）

获得接近实际的电机转子角度估算值。

3 整体控制策略

本文采用无感FOC作为整体控制策略，该策略主要由强拖启动、开环运行、闭环运行以及换向处理四部分组成。

3.1 强拖启动

本文采用强拖的方式对电机启动初始角度进行设定，具体方式是通过短接电机相位线，将转子强制拉至固定电角度。

该种方式的特点在于，电机启动初始角度为固定数值，但有一定概率在启动时出现电机反向转动。

3.2 开环运行

强拖至固定位置后，电机反电势较小，控制器无法准确读取，对此需进行开环运行。

具体运行方式如图2所示，电机启动阶段以固定加速度运行，相位角以无反馈的方式恒定递增，该状态下对电机q轴与d轴电流进行实时监控，当q轴电流到达预设值后，控制器进入闭环运行状态。

图2 电机开环状态运行示意图

3.3 闭环运行

电机转速到达预设数值后，电机产生反电势较大，可较为准确读取电机转子信息，开始进入电机FOC主体控制算法，为确保FOC控制算法的响应速度FOC主体控制算法在AD的DMA中断中进行，具体方法如图3所示。

图3 FOC控制策略流程图

本文方案中首先进行电流闭环控制，电机转速到达预设典型值后，开启速度闭环控制，该阶段后，电机到达稳定运行状态。

3.4 换向策略

无刷电机基本运行方式是控制器通过对电机三相线圈依次通电产生感应磁场，推动转子转动，产生动力。据此分析，如将三相线圈通电顺序变换，则电机线圈产生的感应磁场顺序颠倒，最终实现电机运行方向改变。

据此设计控制器换向策略，轴向顺时针运行状态下，电机电流A、B采样设定为A、B相电流数值，PWM输出端按照A、B、C相依次输出；轴向逆时针运行状态下，电机电流A、B采样设定为B、A相电流数值，PWM输出端按照B、A、C相依次输出，以达到电机无感FOC换向的目的。如图4所示。

图4 控制器无感换向策略流程图

4 控制器设计与搭建

根据整体控制思路与策略，控制器整体分为单片机控制电路、驱动电路、反馈采样电路以及通讯接口四部分。

4.1 单片机控制电路

根据本文控制策略，选用Mirchip公司生成的16位单片机DSPIC33EP64MC202，该型单片机最高主频120MHz，内设8路AD输入接口、2路串口、3个定时器以及用于输出6路PWM信号的电机专用PWM模块，根据电机控制过程中PWM控制信号的发生频率的特点，本文采用8MHz晶振作为芯片外部时钟，主频采用80MHz，同时单片机控制电路设计通讯接口，用以实时监控控制器运行状态。单片机控制电路如图5所示。

图5 单片机控制电路

4.2 驱动电路

由于选用的单片机驱动能力有限，需添加驱动电路用于增强单片机驱动信号，经过增强后的驱动信号传递至功率管，本文选用3组上下臂桥6个MOSFEET作为电机驱动功率元器件。

驱动电路如图6所示，根据驱动电机功率，选用IR2136SPBF作为控制器驱动芯片，该芯片为三相全桥驱动芯片，可用于驱动600V以内的MOSFEET或IGBT，满足电机控制需求，同时该芯片具有硬件过流保护功能，在硬件上确保功率元器件不会被过大电流烧毁。

图6 驱动电路

4.3 反馈采样电路

根据低成本设计要求，本文采用电阻采样作为电流采样方式。但该种方式电流采样数值较小，不利于单片机对电机相电流采样准确性，对此结合控制策略设计反馈采样电路，被采集的电机相电流信号经过比例放大，传递至单片机AD输入引脚，经过比例计算得出实际电路数值，如图7所示。

图7 反馈采样电路

4.4 供电电源电路

根据所控制芯片供电电压为3.3V的情况，设计电源供电方案，电源输入后，将母线电源分为控制电与功率电。控制电源用于为单片机控制电路、采样反馈电路以及驱动芯片供电，单片机控制电路、采样反馈电路电源需经过电源芯片进行降压处理后使用；功率电源则直接为电机驱动功率元器件直接进行供电，如图8所示。

图8 供电电源电路

5 验证试验

5.1 试验目的及规划

为验证本文控制策略可靠性，需进行控制器试验验证。

具体试验材料为：控制器一台、永磁同步电机一台、示波器一台以及测功机一台。其中永磁同步的电机的额定转速为4000rpm，额定电压12V，额定功率120W，且电机顶端安装电子齿轮作为预设恒定负载。

规划试验由可靠性试验和对比验证试验两部分组成。

可靠性试验是通过对比验证该算法能否在两种旋转方向成功驱动电机启动并稳定运行，可靠性试验具体规划如下：

预设转速4000rpm，对比两种旋转方向的启动以及闭环运行状态下的电流波形，分析该控制器运行可靠性。

对比分析试验则是通过对比两种旋转方向分析电机在闭环运行状态下不同转速的电流数值区别，对比试验具体规划如下：

分别在12V额定电压下对比测试两方向的1000、2000、3000、4000rpm下测量电机母线电流有效值，分析两者差异，根据产品要求，如母线电流有效值差异值小于0.2A，则可判定该控制策略可行性。

5.2 试验结果分析

首先进行可靠性试验，进行如图9所示的可靠性试验。

试验结果如图10所示，根据电流波形对比分析，两种旋转方向均能稳定驱动电机运行且电机运行状态较为稳定。

图9 验证试验现场图

图10 可靠性试验结果波形图

根据试验规划，进行对比分析试验。试验结果如表1所示，其中CW指电机轴向逆时针方向，CCW指电机轴向顺时针方向，

表1 对比分析试验结果

根据试验结果可知，在本文控制策略中电机在不同方向、相同转速时母线电流最大差异值为0.1A，该差异值小于0.2A，据此可确定本文控制策略适用于本文的可换向无感FOC控制应用场合。

6 结语

本文以可换向无感FOC控制策略为研究对象，设计了一款可换向的无感FOC控制策略，该策略以强拖作为启动方式，通过滑模观测器观测电机实际状态，结合电机运行原理，设计了无感FOC电机换向策略，并通过试验验证该换向策略可行性，为日后采用相同设计方案提供参考。

作者简介：

刘志鹏 （1994-），吉林延边人，助理工程师，硕士，现就职于贵州航天林泉电机有限公司苏州分公司，研究方向为电机控制。

张安东 （1974-），上海人，教授级高级工程师，学士，现就职于贵州航天林泉电机有限公司苏州分公司，研究方向为电机控制。

参考文献：

[1]吴志伟.基于滑模观测器的直流无刷电机矢量控制系统设计与实现[D].江苏:东南大学,2017.

[2]何郑,马西沛,范平清,赵恒,王岩松.永磁同步电机无位置传感器控制策略研究[J].上海工程技术大学学报,2021,35(04):321-326.

[3]易磊,曲荣海,李新华,等.霍尔位置检测的电动汽车永磁电机矢量控制[J].微特电机,2018,46(9):63-67.

[4]曹雷.永磁同步电机无速度传感器矢量控制系统设计[D].湖南:湖南大学,2020.

[5]孙恺英.永磁同步电机无速度传感器状态估计及控制策略研究[D].天津:天津大学,2019.

[6]赵靖,曾灵飞.现代电机控制技术的发展现状及展望[J].时代汽车,2020,(07):22-23.

摘自《自动化博览》2022年7月刊