無感FOC中電機(jī)參數(shù)設(shè)定對(duì)電機(jī)輸出效果影響研究

劉志鵬，張安東

（貴州航天林泉電機(jī)有限公司蘇州分公司，江蘇 蘇州 215000）

永磁同步電機(jī)矢量控制是一種使用正弦信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使電機(jī)平穩(wěn)高效運(yùn)行的電機(jī)控制方法[1]。在永磁同步電機(jī)控制過程中，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與定子感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)需要存在穩(wěn)定的相差角度，確保電機(jī)產(chǎn)生穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩[2]，并根據(jù)轉(zhuǎn)子位置準(zhǔn)確控制定子電流。隨著主控芯片算力的逐步提高，噪音低、工作效率高的FOC日漸成為主流電機(jī)控制方式。

FOC控制精度很大程度上取決于定子的位置檢測(cè)精度[3]，傳統(tǒng)的獲取轉(zhuǎn)子位置的方法是通過旋轉(zhuǎn)編碼器、光電編碼器以及霍爾傳感器等位置傳感器獲取轉(zhuǎn)子位置[4]。為減少位置檢測(cè)成本，無位置傳感器控制技術(shù)得到了發(fā)展。無位置傳感控制技術(shù)通過檢驗(yàn)電流、電壓參數(shù)，與結(jié)合電機(jī)自身參數(shù)，對(duì)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行實(shí)時(shí)估算[5-6]。

由于電機(jī)自身參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)子角度估算結(jié)果影響較大，本文以電機(jī)自身參數(shù)為研究對(duì)象，以無感FOC算法為控制策略，研究無感FOC中電機(jī)參數(shù)設(shè)定對(duì)電機(jī)輸出效果的影響。

1 電機(jī)控制器平臺(tái)搭建

本文電機(jī)控制器由硬件平臺(tái)與軟件控制系統(tǒng)兩部分組成。硬件平臺(tái)包括電源模塊、主控芯片、驅(qū)動(dòng)芯片、逆變電路、電流檢驗(yàn)電阻以及電流采樣電路。硬件平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 硬件平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)示意圖

本文控制器主控芯片采用microchip公司的16位單片機(jī)DSPIC33E202芯片，以12 MHz的外部晶振作為時(shí)鐘源，主頻80 MHz，擁有2個(gè)ADC讀取寄存器，6通道PWM專用模塊。

根據(jù)單片機(jī)驅(qū)動(dòng)能力較弱的特點(diǎn)，控制器添加驅(qū)動(dòng)芯片用于提高單片機(jī)的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力，以確保逆變電路有效工作。

為確保電機(jī)高效運(yùn)行，控制器以三對(duì)六個(gè)MOSFEET組成逆變電路，同時(shí)使用電阻對(duì)A、B相電流進(jìn)行采樣，電流經(jīng)過采樣電路放大處理后，輸入單片機(jī)ADC讀取引腳。

2 電機(jī)整體控制策略

本文整體控制策略采用FOC控制策略，控制程序通過檢驗(yàn)、解析、輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)電機(jī)功能，為確保響應(yīng)速度，控制程序主要集中于各中斷函數(shù)。

本文控制器采用FOC控制算法，驅(qū)動(dòng)方式采用傳統(tǒng)的三段式驅(qū)動(dòng)方式，即強(qiáng)拖至固定角度、電流環(huán)閉環(huán)運(yùn)行、電流環(huán)速度環(huán)閉環(huán)運(yùn)行。采用恒轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)方式，該方式的好處在于啟動(dòng)后運(yùn)行平穩(wěn)，對(duì)于突加負(fù)載魯棒性較好。整體控制程序原理圖如圖2所示。

圖2 控制器整體控制程序原理圖

FOC是利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方式，對(duì)永磁同步電機(jī)的相電流進(jìn)行解耦分析，由于電機(jī)三相電流會(huì)隨時(shí)間變換，單純的直接使用三相電流數(shù)值作為反饋值所需主控芯片算力較大，因此將三相相電流轉(zhuǎn)化為勵(lì)磁電路和負(fù)載電流，從而獲得較好的動(dòng)態(tài)特性。

控制器控制方案采用電機(jī)相電流作為反饋值，采樣A、B兩相電流，根據(jù)IA+IB+IC=0，得出C相電流數(shù)值。

首先將采集的相電流進(jìn)行Clark變換，轉(zhuǎn)化為定子直角坐標(biāo)，通過Park變換轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子直角坐標(biāo)，使用PID控制器對(duì)電流、速度進(jìn)行閉環(huán)處理，經(jīng)過反Park變換結(jié)合滑膜觀測(cè)器得出角度、速度，使用SVPWM輸出至逆變器實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制。

3 試驗(yàn)規(guī)劃與試驗(yàn)結(jié)果分析

本文的目的是研究無感FOC電機(jī)參數(shù)設(shè)定對(duì)電機(jī)輸出效果的影響程度，根據(jù)電機(jī)模型公式，影響轉(zhuǎn)子估算角度的主要參數(shù)分別為G增益以及F增益，本節(jié)以上兩參數(shù)為試驗(yàn)參數(shù)，進(jìn)行試驗(yàn)規(guī)劃與試驗(yàn)結(jié)果探究。

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)規(guī)劃

試驗(yàn)設(shè)備：30 V、10 A的穩(wěn)壓電源一臺(tái)，永磁同步電機(jī)一臺(tái)，控制器一臺(tái)，測(cè)功機(jī)一臺(tái)。

具體試驗(yàn)方法：通過更改控制程序內(nèi)G增益與F增益的數(shù)值，在電機(jī)進(jìn)入速度閉環(huán)的狀態(tài)時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)速、母線電流進(jìn)行測(cè)量，分析測(cè)量結(jié)果并根據(jù)分析結(jié)果得出兩個(gè)增益對(duì)電機(jī)作用效果的影響程度。

試驗(yàn)分為兩個(gè)階段，分別對(duì)G增益與F增益兩因素進(jìn)行參數(shù)選取試驗(yàn)，完成選取試驗(yàn)后分別對(duì)兩因素進(jìn)行3個(gè)水平因子選取，通過使用軟件進(jìn)行分析，將所獲試驗(yàn)參數(shù)組成兩因素三水平的正交試驗(yàn)，通過分析回歸方程確定兩因素是否對(duì)電機(jī)輸出效果產(chǎn)生影響，并確定各因素對(duì)電機(jī)效果的影響程度。

3.2 參數(shù)選取試驗(yàn)

根據(jù)本文測(cè)試電機(jī)本身的具體參數(shù)，確定該電機(jī)F增益真實(shí)值為0.2，G增益真實(shí)數(shù)值為0.4（兩增益數(shù)值為Q15格式），參數(shù)選取試驗(yàn)分別以兩參數(shù)真實(shí)數(shù)值為固定值，將電流轉(zhuǎn)換比為判定數(shù)值依據(jù)，選取兩參數(shù)最優(yōu)的具體數(shù)值，其中電流轉(zhuǎn)換比計(jì)算方式為：

其中：ρ為電流轉(zhuǎn)換比，rpm/A；I為電流，A；n為轉(zhuǎn)速，rpm。

首先對(duì)G增益進(jìn)行分參數(shù)選取試驗(yàn)，以0.1遞進(jìn)，對(duì)數(shù)值0.1-1.0的G增益進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 G增益參數(shù)選取試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)F增益進(jìn)行參數(shù)選取，以0.1遞進(jìn)，對(duì)數(shù)值0.1-1.0的F增益進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 F增益參數(shù)選取試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，確定選取G增益因素的水平因子為0.1、0.4、0.5，確定選取F增益因素的水平因子為0.1、0.2、0.8，確定各因素水平因子后，進(jìn)行下一步正交試驗(yàn)，如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

3.3 正交試驗(yàn)與試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)參數(shù)選取試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)正交兩因素三水平試驗(yàn)，正交試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

將試驗(yàn)結(jié)果經(jīng)minitab（試用版）分析，得出回歸方程為：

其中x1為G增益，x2為F增益。方差分析結(jié)果見表4。

表4 方差分析結(jié)果

選取置信區(qū)間α為0.1，根據(jù)分析結(jié)果可知，回歸方程可信程度高，G增益與F增益均對(duì)電機(jī)輸出效果影響程度明顯，其中G增益較F增益對(duì)電機(jī)輸出效果影響程度更大，且兩者交互作用明顯。

4 結(jié)論

本文以FOC控制算法為基礎(chǔ)，探究無感FOC控制算法中電機(jī)參數(shù)設(shè)定對(duì)電機(jī)輸出效果的影響程度，通過電機(jī)模型確定電機(jī)參數(shù)主要體現(xiàn)為G、F兩個(gè)增益，參數(shù)選取試驗(yàn)對(duì)比選取兩參數(shù)水平數(shù)值，通過正交試驗(yàn)結(jié)果，分析得出兩參數(shù)均對(duì)電機(jī)輸出效果有影響，并且兩參數(shù)交互作用明顯的試驗(yàn)結(jié)論。