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        基于Cortex-M0 的直流無刷電機(jī)矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2022-01-08 11:42:24雷志強(qiáng)李克靖吳居成
        電子與封裝 2021年12期
        關(guān)鍵詞:相電流模擬量內(nèi)阻

        萬 清,宋 錦,雷志強(qiáng),李克靖,吳居成

        (中科芯集成電路有限公司,江蘇無錫 214072)

        1 引言

        無刷直流電機(jī)(Brushless DC Motor,BLDCM)具有強(qiáng)耦合、參數(shù)時(shí)變和非線性等特點(diǎn),本質(zhì)上相當(dāng)于交流電機(jī),僅僅采用經(jīng)典的控制理論完全無法滿足其控制要求[1-2]。幾種常用的電機(jī)控制策略有恒壓頻比控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、智能控制技術(shù)[3-5]。矢量控制通過控制定子勵(lì)磁輸入,可將轉(zhuǎn)矩和磁通分別進(jìn)行控制,從而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。

        在矢量控制系統(tǒng)中,需要采集轉(zhuǎn)子角位置和三相電流。角位置可以通過霍爾傳感器或磁編碼器獲得。三相電流通常采用分壓電阻的方式進(jìn)行采樣,而在大功率場合,電阻采樣要消耗一定的功耗,因此采用金屬半導(dǎo)體晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)內(nèi)阻的采樣方式得到應(yīng)用[6-7]。根據(jù)矢量控制算法的要求,算法執(zhí)行時(shí)需要同時(shí)采集兩相電流,文獻(xiàn)[8]基于MOSFET 內(nèi)阻采樣設(shè)計(jì)了輪轂電機(jī)控制系統(tǒng),選用具有兩路ADC 模塊、同時(shí)具有注入采樣模式的芯片作為主控,實(shí)現(xiàn)了直流無刷電機(jī)的控制。

        針對Cortex-M0 核的主控芯片,在僅具有單ADC模塊的情況下,同時(shí)采集相電流成為難點(diǎn)。并且在實(shí)際應(yīng)用中,模擬信號量不僅僅有三相電流,像母線電流、母線電壓、溫度等模擬量也需要進(jìn)行采集處理。本文在分析Cortex-M0 內(nèi)核ADC 采樣模塊的特點(diǎn)和矢量控制對電流采樣要求的基礎(chǔ)上,將電流信號和控制模擬量分為高頻信號和低頻信號。通過模擬雙ADC的同時(shí)采樣方式,給出了不同采樣頻率下的操作流程,實(shí)例化驗(yàn)證了所提出的矢量控制系統(tǒng)的有效性。

        2 矢量控制原理

        矢量控制采用平均值等效原理,即在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)通過對基本電壓矢量加以組合,使其平均值與給定電壓矢量相等[9]。通過調(diào)整三相電壓,合成空間任意位置的磁鏈?zhǔn)噶?,通過位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子空間位置,控制合成磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈保持垂直,使轉(zhuǎn)子輸出最大力矩。

        矢量控制實(shí)施的具體流程:將采集的三相定子電流Ia、Ib、Ic通過Clark 變換獲得相互正交、靜止坐標(biāo)系下的兩相電流Iα、Iβ,接著通過Park 變換得到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的兩相電流Iq、Id,將Iq、Id與設(shè)定值Iq*、Id*比較后,經(jīng)PID 控制器輸出控制變量Vq、Vd,最后經(jīng)過Park 逆變換得到可調(diào)制正弦波形的Vα、Vβ,進(jìn)而對逆變電路中的開關(guān)管進(jìn)行通斷控制,達(dá)到對電機(jī)的調(diào)速控制目的。

        矢量控制結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

        圖1 矢量控制結(jié)構(gòu)

        2.1 相電流采樣原理

        矢量控制中首先需要采集三相定子電流,考慮到大電流流過電阻時(shí)會(huì)產(chǎn)生功率損耗,利用MOSFET 導(dǎo)通時(shí)自身的內(nèi)阻來進(jìn)行電流采樣。

        當(dāng)MOSFET 開關(guān)管流過通態(tài)電流時(shí),在其導(dǎo)通溝道上有一定的壓降,且其導(dǎo)通電阻基本穩(wěn)定,該壓降與器件的通態(tài)電流成正比[10-11]。因此,通過MOSFET 開關(guān)管的通態(tài)壓降能夠反映相電流的大小。此外考慮到MOSFET 開關(guān)器件具有一定的溫度系數(shù),可以根據(jù)通態(tài)電阻和溫度曲線的關(guān)系,修正導(dǎo)通內(nèi)阻進(jìn)而消除溫度對相電流檢測精度的影響。考慮到MOSFET 的導(dǎo)通電阻較小,其上的壓降相對較小,為了獲得準(zhǔn)確的導(dǎo)通電流,對采集的導(dǎo)通壓降進(jìn)行放大處理,基于MOSFET 內(nèi)阻的電流采樣原理如圖2 所示,通常引入3 路運(yùn)放,對采樣壓降進(jìn)行差分處理。

        圖2 基于MOSFET 內(nèi)阻的電流采樣原理

        2.2 霍爾傳感器角度估算

        矢量控制中另一關(guān)鍵量為電機(jī)定子角度位置信息,通過霍爾傳感器能夠檢測出6 個(gè)離散的位置信息,霍爾傳感器輸出信號如圖3 所示。

        圖3 霍爾傳感器輸出信號

        矢量控制中需要實(shí)時(shí)的位置信息,借助于Contex-M0 架構(gòu)中具有霍爾捕獲功能的定時(shí)器能夠獲得轉(zhuǎn)過一個(gè)霍爾狀態(tài)的時(shí)間,在計(jì)算時(shí)假設(shè)在一個(gè)狀態(tài)下保持恒速運(yùn)行,因此可以通過前一霍爾狀態(tài)下的平均速度估算轉(zhuǎn)子當(dāng)前速度,當(dāng)前電角度θ 為:

        3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

        3.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

        根據(jù)矢量控制結(jié)構(gòu)(圖1),該系統(tǒng)采用STM32F030C8T6 作為主控芯片,該芯片基于Cortex-M0 內(nèi)核,內(nèi)部集成1 個(gè)可產(chǎn)生6 路互補(bǔ)對稱帶死區(qū)PWM 信號的高級定時(shí)器,用于控制驅(qū)動(dòng)橋開關(guān)器件的開通和關(guān)斷;1 個(gè)具有霍爾信號捕獲功能的通用定時(shí)器,用于獲得電機(jī)定子位置信息;具有1 個(gè)12 位16 通道的ADC 采樣模塊,用于模擬量采集。

        該控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例為兩輪車控制器,需要采集1 路轉(zhuǎn)把控制信號、3 路相電流、1 路母線電流、1 路母線電壓和1 路溫度信號??紤]到流過MOSFET 開關(guān)器件的電流較小,選用差分放大電路,將采集到的信號放大后送入主控芯片,同時(shí)考慮到主控芯片只能采集正的模擬信號,而相電流存在正負(fù),因此將相電流進(jìn)行抬高處理,A 相電流差分放大電路硬件原理如圖4所示,B 相和C 相與之類似。

        圖4 A 相電流差分放大電路

        圖4 中3.3 V 為加入的偏置電壓,通過電阻網(wǎng)路將采集的相線電流抬高1.67 V,VBus和Ua為A 相MOSFET 開關(guān)管兩端的電壓,將兩端的電壓差分處理便得到MOSFET 兩端的電壓差,進(jìn)一步得到流過的相電流。

        3.2 模擬量采樣方式

        該兩輪車控制器需要采集7 路模擬信號量,根據(jù)矢量控制系統(tǒng)對不同模擬量采樣頻率的要求,將相電流和母線電流歸為高頻處理信號,采用DMA 的方式采集,將轉(zhuǎn)把信號、母線電壓和溫度信號歸為低頻采樣信號,采用普通ADC 采樣的方式。然而STM32F030C8T6 僅具有1 個(gè)ADC 模塊,無法同時(shí)采集兩路模擬量??紤]到矢量控制對電流信號實(shí)時(shí)要求高的問題,采用和載波頻率相同的步調(diào)進(jìn)行采集,載波頻率設(shè)置為16 kHz,而低頻信號采用2 kHz 的頻率進(jìn)行采集。其采樣流程如圖5 所示。

        圖5 模擬量采樣流程

        模擬量采樣任務(wù)分為高頻任務(wù)和低頻任務(wù)。高頻任務(wù)負(fù)責(zé)由DMA 模式采集相電流和母線電流,同時(shí)負(fù)責(zé)采集當(dāng)前低頻任務(wù)下所需模擬量。設(shè)計(jì)中通過定時(shí)觸發(fā)DMA 的采樣模式去采集相電流,當(dāng)采集完后立即讀取出來供FOC 運(yùn)算使用,這樣可以將實(shí)時(shí)采集到的電流進(jìn)行處理,節(jié)約了采集其他量的時(shí)間,提高了實(shí)時(shí)性。同時(shí),在讀取完相電流后將ADC 的采樣模式設(shè)置為普通采樣模式,采集當(dāng)前設(shè)置的低頻信號量,采集完后重新設(shè)置為DMA 的采樣模式,為下一次高頻數(shù)據(jù)采集做準(zhǔn)備。由于ADC 采樣需要一定的時(shí)間,為了節(jié)約芯片的執(zhí)行效率,利用FOC 變換計(jì)算時(shí)間作為ADC 采樣等待時(shí)間,既保證了可靠的采樣延時(shí),又充分利用了芯片的資源。

        在低頻任務(wù)中,采用隊(duì)列管理的方式對低頻信號進(jìn)行管理,本實(shí)例共3 個(gè)低頻信號,采用2 kHz 的頻率切換不同的通道,即在高頻信號中連續(xù)采集8 次低頻信號后才切換到下一低頻信號。比如,當(dāng)前采集轉(zhuǎn)把信號,在高頻任務(wù)中連續(xù)采集8 次轉(zhuǎn)把信號后,再切換到采集母線電壓8 次,接著切換到采集溫度信號8 次,最后再次切換到采集轉(zhuǎn)把信號。

        4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

        針對設(shè)計(jì)的兩輪車控制器其性能測試平臺(tái)設(shè)備包括:輪轂式直流無刷電機(jī)、磁粉測功機(jī)(ZF200A)、MTS-II 電機(jī)測試系統(tǒng)、DX 直流穩(wěn)壓源、計(jì)算機(jī)、J-LINK 仿真器、示波器等。所選輪轂式直流無刷電機(jī)參數(shù)為:額定電壓48 V,額定功率600 W,額定轉(zhuǎn)速500 r/min,極對數(shù)26。

        利用磁粉測功機(jī)和MTS-II 電機(jī)測試系統(tǒng)對設(shè)計(jì)的控制器進(jìn)行性能測試,測試結(jié)果如表1 和圖6 所示。在表1 中,電機(jī)在不加載點(diǎn)時(shí)轉(zhuǎn)速為515.7 r/min,達(dá)到額定轉(zhuǎn)速,最大力矩達(dá)72 N·m,能夠保證在載重下可靠運(yùn)行。結(jié)合圖6,其最高效率點(diǎn)為86.8%,且具有較寬的效率曲線(效率大于80.0%的平臺(tái))??刂破髟O(shè)計(jì)限流點(diǎn)為32.0 A,從曲線可以看出,限流曲線平穩(wěn)、波動(dòng)小,且速度較平穩(wěn),保證了騎行時(shí)電機(jī)的平滑運(yùn)行,提高了用戶的體驗(yàn)感。

        圖6 控制系統(tǒng)測功曲線

        表1 特征點(diǎn)數(shù)據(jù)

        5 結(jié)束語

        本文在分析Cortex-M0 芯片具有單ADC 采樣模塊和矢量控制對相電流要求的基礎(chǔ)上,將電流采樣和控制量采樣分為高頻信號和低頻信號,高頻信號采用DMA 的采樣方式,低頻信號采用普通ADC 的采樣方式,設(shè)計(jì)了直流無刷電機(jī)控制器;給出MOSFET 內(nèi)阻的相電流采樣方式,分析了相電流采樣的特點(diǎn),采用差分放大和偏置電壓疊加的方式對相電流進(jìn)行處理。實(shí)驗(yàn)選用輪轂式直流無刷電機(jī)作為驗(yàn)證對象,根據(jù)測試功率曲線可以看出所設(shè)計(jì)的矢量控制器具有較大的輸出力矩、較寬的效率平臺(tái)、穩(wěn)定的限流,驗(yàn)證了所提出的模擬量采集模式在矢量控制中應(yīng)用的正確性。

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