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如何使用降階隆伯格觀測器估算永磁同步電機的轉子磁鏈位置?

發(fā)布時間:2021-04-01 來源:Microchip,錢敏 責任編輯:lina

【導讀】本文介紹如何使用降階隆伯格觀測器(ROLO)估算永磁同步電機(PMSM)的轉 子磁鏈位置。首先介紹特征值與穩(wěn)定性的關系;在此基礎上,引入狀態(tài)反饋控制 的理念;接著介紹如何使用該理念來設計隆伯格觀測器;然后,以 PMSM 為例, 推導 ROLO 的設計過程,給出設計結果;最后,介紹 Microchip 的相關電機控制方 案(評估套件、例程和文檔等)。

摘要
本文介紹如何使用降階隆伯格觀測器(ROLO)估算永磁同步電機(PMSM)的轉子磁鏈位置。首先介紹特征值與穩(wěn)定性的關系;在此基礎上,引入狀態(tài)反饋控制的理念;接著介紹如何使用該理念來設計隆伯格觀測器;然后,以 PMSM 為例,推導 ROLO 的設計過程,給出設計結果;最后,介紹 Microchip 的相關電機控制方案(評估套件、例程和文檔等)。

一、 概述
永磁同步電機(PMSM)的磁場定向控制(FOC)在近十幾年成為了主流的電機控制方法。其中,無位置傳感器 FOC 由于其低成本和高可靠性,獲得了越來越多的應用和關注。由于沒有位置傳感器,所以必須估算轉子磁鏈位置。由于在旋轉過程中,轉子磁鏈生成反電動勢(BEMF),并且 BEMF 超前轉子磁鏈 弧度,所以

可以利用對 BEMF 進行觀測,進而估算轉子磁鏈。降階隆伯格觀測器(ROLO)是一種常用的 BEMF 觀測手段。

一方面,工程師可能不具備設計觀測器所需的背景知識;另一方面,產(chǎn)品開發(fā)項目必須盡快且高質量地完成。盡管可以找到背景知識的相關教材,但由于其缺少針對性,所以工程師不得不花費大量時間進行學習。該矛盾經(jīng)常成為制約產(chǎn)品開發(fā)進度和質量的瓶頸。針對此困境,ROLO 由于其原理簡單,成為了能短時間掌握的優(yōu)選方案。

本文針對 PMSM 控制所需,篩選出最少量的必需知識,按照邏輯順序闡述利用ROLO 觀測 BEMF 的原理。此外,還介紹了 Microchip 的相關電機控制方案。讀者可以借此快速掌握原理,并且上手實踐和熟悉。

二、 特征值與穩(wěn)定性
常微分方程(ODE)是時間確定性系統(tǒng)的一種抽象模型。PMSM 可以看作是一個線性時間確定性系統(tǒng),因此可以用線性常微分方程來建模。
考慮以下的一般線性 ODE:

 
如何使用降階隆伯格觀測器估算永磁同步電機的轉子磁鏈位置?
 

如何使用降階隆伯格觀測器估算永磁同步電機的轉子磁鏈位置?

三、 狀態(tài)反饋控制

如何使用降階隆伯格觀測器估算永磁同步電機的轉子磁鏈位置?

四、 隆伯格觀測器
考慮以下系統(tǒng):
如何使用降階隆伯格觀測器估算永磁同步電機的轉子磁鏈位置?

如何使用降階隆伯格觀測器估算永磁同步電機的轉子磁鏈位置?

如何使用降階隆伯格觀測器估算永磁同步電機的轉子磁鏈位置?

五、 觀測 PMSM 的 BEMF

如何使用降階隆伯格觀測器估算永磁同步電機的轉子磁鏈位置?

如何使用降階隆伯格觀測器估算永磁同步電機的轉子磁鏈位置?

如何使用降階隆伯格觀測器估算永磁同步電機的轉子磁鏈位置?
 
六、 Microchip 的 ROLO 方案
Microchip 的基于 ROLO 的 PMSM 無傳感器控制方案提供例程、評估套件、開發(fā)工具和幫助文檔。

例程位于 MPLAB® Harmony 3 的 motor control 模塊中,是一個運行在 Cortex®-M0+MCU(SAMC21)之上的 MPLAB X 工程:pmsm_foc_rolo_sam_c21。

該演示方案可以運行于 MCLV2 低壓電機控制評估套件或 MCHV3 高壓電機控制評估套件。兩款評估套件均可在 Microchip 官網(wǎng)搜索并訂購。

該例程利用圖形化配置工具 MPLAB Harmony 配置器(MHC)生成。使用 MPLAB XIDE 打開該工程,并打開 MHC,就可以看到 CPU 和所需片上周邊(PWM 模塊和ADC 等)的配置情況,如< 圖 1. 例程的 MHC 配置 >所示。

相應的幫助文檔也位于 MPLAB Harmony 3 的 motor control 模塊中。其中介紹了如何搭建硬件平臺、編譯和下載工程、算法原理框圖、軟件流程圖、軟件配置方法等,如< 圖 2. 電機控制算法框圖 >、< 圖 3. 軟件流程圖 >、< 圖 4. 軟件配置方法:電機參數(shù)宏定義列表 >和< 圖 5. 低壓電機控制硬件連接 >所示。

如何使用降階隆伯格觀測器估算永磁同步電機的轉子磁鏈位置?
< 圖 1. 例程的 MHC 配置 >

如何使用降階隆伯格觀測器估算永磁同步電機的轉子磁鏈位置?
< 圖 2. 電機控制算法框圖 >

如何使用降階隆伯格觀測器估算永磁同步電機的轉子磁鏈位置?
< 圖 3. 軟件流程圖 >

如何使用降階隆伯格觀測器估算永磁同步電機的轉子磁鏈位置?
< 圖 4. 軟件配置方法:電機參數(shù)宏定義列表 >

如何使用降階隆伯格觀測器估算永磁同步電機的轉子磁鏈位置?
< 圖 5. 低壓電機控制硬件連接 >

七、 總結
本文從 PMSM 的 ODE 模型開始,逐步介紹了基于 ROLO 的 BEMF 觀測器的設計理念和方法;并且介紹了 Microchip 的相關方案。讀者可以利用這些資源快速掌握原理并上手實踐、熟悉 PMSM 的無傳感器控制方法,以加快項目開發(fā)進度和提升產(chǎn)品性能。

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