產品訊息
32位微控制器實現先進控制技術
2014-11-06
作者:偉詮電子 羅久琅/林政良/顧朝奇 |
根據美國能源局的統計,全球的能源,大約一半是被電機所消耗,所以如何改善電機控制系統的耗能,便成一個重要的課題。而要降低電機的耗能,除了電機由交流電機走向直流無刷電機(BLDC)及電機本體的效能設計由IE1走向IE3之外,最重要的就是要有一個高性價比、高效能,且完全針對電機控制的專屬微控制器。 |
藉由一個針對電機控制的專屬高效能微控制器,我們可實現先進的控制演算法。導入先進的控制演算法,除了可以讓系統達到節能之外,另外亦可以讓整個控制系統在無感測器的情況下,可因應負載的變化做快速平滑的反應。感測器的配置,除了會增加元件及製造成本外,在很多場合是無法放置感測器的,例如壓縮機內有化學物質及一些產品因空間太小而無法放置。本文就是使用一個32位元微控制器來實現先進的磁場導向控制(FOC; Field Oriented Control) 、高頻電壓注入技術及空間向量PWM (SVPWM) 控制。 |
磁場導向控制系統 (FOC; Field Oriented Control) |
磁場導向控制 (FOC,又稱向量控制; Vector Control) ,磁場導向控制發明的初衷,就在於想把交流電機的控制方式對比於直流電機的控制方式,直流電機的控制較簡單,通過勵磁電流和轉矩電流的分別控制,可以簡單且準確控制電機電磁轉矩。 |
對感應電機進行磁場和轉矩的解耦: 交流非同步電動機由於變壓變頻,調頻的時候電壓不變,磁場會發生變化,調壓的時候不調頻,磁場也會發生變化,因此V/F只是一種非常粗略的控制磁場方式,根本達不到磁場的準確控制。 例如,在速度調節方面,V/F控制僅可達1%,而相對FOC可達0.001% (無感測FOC約為0.05%),在轉矩調節方面,V/F控制非常差,而相對FOC可達± 2% (無感測FOC約為±5%)。當然相對而言,FOC需求較高運算能力的微控制器。圖1. 是以偉詮電子32位元微控制器為基礎的磁場導向控制系統圖,而針對內圈每一次的ADC中斷,進行如下動作: |
(1) 利用Clarke轉換,將相電流由靜態的三相轉成靜態的兩相電流 |
(2) 利用Park轉換,將靜態的兩相電流轉成動態的兩相電流(旋轉坐標系) |
(3) 利用滑差模式 (Sliding Mode)控制器,計算出電機的速度及位置 |
(4) 使用PI控制器,針對速度及電流進行控制 |
(5) 利用Park逆轉換,將動態的兩相電流轉成靜態的兩相電流(靜止坐標系) |
(6) 利用Clarke逆轉換,將相電流由靜態的兩相轉成靜態的三相電流 |
(7) 更新PWM輸出占空比 |
(8) ADC中斷結束 |
高頻電壓注入估測 (High-frequency Voltages Injection Estimation ) |
電機的啟動是PMSM 控制中的重要環節,PMSM 磁場導向控制(FOC)系統通過施加與轉子磁場相垂直的轉矩電流來確保電機的順利啟動,但這需要獲知電機初始位置。大部分無位置感測器控制無法預知轉子初始位置,一般採用開環啟動或者將電機定位到預定位置啟動。開環啟動因不同角度起轉,常發生的狀況有逆偏、頓轉等狀況,而電機預定位元要求則在很多產品是不適用的。 |
針對PMSM 零速/低速下的無位置感測器控制,為了解決低速時轉子位置和速度估算不準確的問題,一般均採用,由美國威斯康辛大學的M. Corley及R. Lorenz兩位教授于1996年首先提出的高頻信號注入法,目前研究較多的是高頻電壓注入法。該方法是基於電機的凸極特性,其基本思考是在電機定子中注入高頻電壓信號,通過對高頻電流回應進行特定的信號處理(濾波、角度估測器)來獲得轉子位置資訊。 |
圖1. WT58F032為基礎的磁場導向/無感測控制系統架構圖。 |
按照電壓注入方式的不同,高頻電壓注入法可分為以下兩類: (1) 旋轉高頻電壓注入法: 在定子坐標系中注入旋轉高頻電壓信號,則高頻電流回應的負序分量中含有轉子位置資訊,通過對該信號進行解調獲得電機轉子位置。(2) 脈動高頻電壓注入法: 在估算的旋轉坐標系注入脈動高頻電壓信號,則電流回應的高頻分量中將包含位置估算誤差,通過對該高頻電流信號的處理,使得估算位置收斂於實際位置。一般高頻電壓信號設計為弦波之形式,並且注入於同步參考座標d軸。 |
空間矢量脈衝寬度調變 (SVPWM; Space Vector PWM) |
空間向量PWM (SVPWM) 的工作原理是利用三組半橋逆變器,經由PWM調變電壓向量來合成所欲產生之電機定子電流,此合成電流在定子線圈上產生旋轉之定子磁通向量與轉子磁通相互作用產生轉矩,使得電機得以旋轉。SVPWM因是以合成之定子磁通向量來決定三組半橋逆變器的切換時序,因此命名為空間向量脈寬調變。 這種調變方法是控制電壓向量使得電機氣隙旋轉磁通向量軌跡逼近一個理想的圓,且有最小的磁通漣波,其轉矩漣波 (Torque Ripple) 最低,因此在開路控制的情況下,電機轉速漣波亦最小。 表1 為電機驅動電路的三組半橋逆變器功率開關元件,因為空間向量脈寬調變開關控制並無上下開關同時導通的定義,所以實際上可視為兩種狀態開關時序 (上開關OFF、下開關ON,或上開關ON、下開關OFF ) 。因此,三組功率開關元件,總共可產生八種開關狀態組合,如表1所示。 |
表1. SVPWM功率開關切換狀態、線電壓、相電壓與空間向量之關係表。 |
空間向量脈衝寬度調變 (SVPWM) 控制系統 |
偉詮電子WT58F032微控制器為基礎的SVPWM控制系統中,其控制流程如下: |
(1) 主程序部份(Main Routine) |
甲、WT58F032復位 |
乙、WT58F032晶片初始化設定 |
丙、電機停止運轉 |
丁、Check啟動信號是否為”真” ,如為”真” ,進入初始化電機配置及致能中斷,如為”假” ,則回到電機停止運轉狀態 |
(2) 中斷服務程式(Interrupt Service Routine) |
甲、中斷服務程式啟動 |
乙、輸入捕捉單元/轉子區間計算 |
丙、上述”乙”中計算的結果,輸出給轉速計算單元及電機相位計算單元 |
丁、上述”丙”中計算出來的轉速,輸出給電機相位計算單元及PID控制器 |
戊、上述”丁”中計算出來的電機相位及PID輸出給正弦波產生器,以產生弦波 |
圖2.為基於WT58F032的SVPWM控制輸出波形 (M形狀) ,由圖中可看到,SVPWM的線電壓利用率相較於一般的PWM會較高,所以達到節能的效果。 |
圖2. WT58F032為基礎的SVPWM控制輸出波形。 |
總結 |
隨著半導體技術的持續進步,微控制器能做的工作也愈來愈多,本文中,偉詮電子所提出的高性價比32位微控制器,除了有高運算能力的32-Bit RISC CPU及內建一個在一個指令週期就可完成32bx32b乘法運算的快速乘法器外,亦整合了針對電機控制所設計的周邊電路,包括高速ADC、高速及多模式操作PWM、ADC和PWM連動、高速比較器、QEI等。另外,考慮到工業控制的需求,此晶片支援寬壓工作,可運行於2.0V~5.5V,且有極佳的雜訊耐受度,非常適合用在高效能電機控制系統。 |
本文也提出基於偉詮電子WT58F032微控制器所實現的FOC控制,並針對低速時,利用高頻電壓注入技術來偵測轉子位置,同時亦使用空間向量PWM(SVPWM) ,來進一步提升線電壓的利用率,進而達到節能效果。 |