郝玉峰
摘 要
文章基于STM32F1系列单片机，采用FOC控制算法，实现对永磁同步电动机（SPMSM）的扭矩与转速控制，采用三电阻法实现电流采样，并通过Clark与Park变换方程与龙伯格状态观测器实现PMSM的无传感器转速与位置估算，反电动势计算，并最终实现PMSM的启动与转速、电流双闭环控制。
关键词
永磁同步电机;STM32F1xx;无传感器估算;三电阻法;状态观测器
中图分类号： TM352 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.04.78
0 引言
永磁同步电机的控制算法众多[1-2]，其中最简单有效的控制策略便是6步法控制，这种控制方法虽然简单，但是需要加装霍尔传感器用以检测位置信号，根据霍尔传感器的不同位置信息（一个电周期有6种不同位置信号），切换桥式换向电路进行电换向。由于这种算法只关心位置变化时刻的转子位置信息，而对于两个换向过程之间的位置和转速信息无法得知，因此无法实现转速和位置的精确控制，同时由于六步法输出的控制波形为方波信号，其转矩脉动也是极其难以消除的。因此这种控制算法虽然简单，但是控制效果并不理想。
本文采用磁场定向控制算法（FOC）。FOC的主要特点是采用电压空间矢量调制技术（SVPWM）直接着眼于如何使电机的磁链轨迹更接近于圆形。文章以STM32F1xx系列芯片的外设为基础（参见参考文献，本文并不多做介绍），搭建外围硬件电路，采用三电阻法检测各项电流，并经Clark与Park坐标变换方程将三相电流转换到dq轴。控制过程为：转速信号指令与电机实际转速相比较，经过速度环的调整，输出电流■q指令信号，此信号与检测到的电流信号相比较，经电流环的调节，输出电压指令信号ud、uq。再经过坐标变换，返回到真实的ABC坐标系下输出ua、ub、uc，經电压空间矢量PWM调制后产生接近于正弦波的磁链控制永磁同步电机。PS为转子位置和速度检测传感器，也可以是各种位置估算器，检测转子的位置，确定定子电流的相位，使与转子磁链正交，产生最大的恒定转矩。
1 FOC控制理论
FOC控制理论框图如下图所示，电流读取三相电流经坐标变换后，转换到dq轴，与给定的Iq与Id进行比较，经PID调解后输出Vq与Vd，经Park反变换得到Va与Vβ，经SVPWM计算，得到三相占空比值，控制三相桥式逆变器实现FOC控制。
2 无传感器转子位置检测
2.1 观测器理论
根据控制理论，如果一个系统能够完全通过其检测到的输出值来重构其系统状态，则认为该系统是可观测的;状态观测器根据所观测系统的输入及输出值估计其内部状态。
PMSM的马达状态方程如下：
在计算转子位置和转速的时候引入锁相环（PLL），如图3所示：
2.2 启动策略与堵转检测
由于转子位置估算需要首先知道电机的反电动势，而在电机停转或转速很低的时候，无法检测到反电动势，因此电机需要自启动。自启动过程中，在定子中加入幅值及频率都受控的电流。
当控制系统检测到状态观测器和PLL都收敛时，自启动过程完成，电机开始转入正常运行模式。
转子堵转检测是基于统计理论，因此并不是100%能够判定成功。当反电动势幅值较低时，转速测量误差变大，这种情况一般发生在电机低速时。
3 结论
文章分析了基于STM32F1xx系列芯片的电机库函数的FOC控制算法，总结如下：
（1）电机运行的最低速度可以达到额定转速的5%;
（2）控制算法对电机绕组的相电阻变化不敏感;
（3）控制算法对电机绕组的相电感变化中度敏感;
（4）FOC算法的执行时间大约为24us;
参考文献
[1]周晓敏，王长松，钟黎萍.基于卡尔曼滤波和高频信号注入法的永磁同步电机转子位置自检测[J].北京科技大学学报，2008，30（7）：815-819.
[2]徐凯.无速度传感器矢量控制系统转速辨识的复合算法，控制与应用技术，2007.34（10）：18-22.
