基于改进型FOC算法的电机控制系统的设计.pdf

计 算 机 与 网 络技术论坛0引言近年来，随着中国城市经济建设的飞速发展，工业领域的控制要求也越来越高，控制系统领域也在不断改进，追求更高的响应速度、更精准的控制系统是大家共同的目标1。一般将磁场定向控制（Magnetic field Oriented Control,FOC）矢量控制算法作为控制系统的核心算法来驱动电机，但是传统的FOC矢量控制算法将PI调节器作为外环的速度调节的工具，在有偏差产生时难以兼顾电机快速与超调之间的矛盾，这样将会加大调试参数的难度。为了提高控制系统的动力性能，动力电池电压日益增加，高压安全问题日益凸显。针对上述问题，提出了基于改进型FOC算法的电机控制系统的设计宋文文1，陈 静2，张志威1，丁学文1,2*，李雅静1（1.天津职业技术师范大学 电子工程学院，天津300222；2.天津云智通科技有限公司，天津300350）摘要：设计了一种以STM32为主控芯片，基于改进型磁场定向控制(Magnetic Field Oriented Control,FOC）的电机控制系统。该系统采用的CAN总线控制，具有自动检测错误和修复功能，减少布线，有效降低控制系统的故障率，实现控制系统内部模块之间的复杂通讯和电机之间的交流。运用FOC矢量控制算法来控制电机的运转，选择霍尔传感器作为FOC的位置传感器，来获取转子的角度信息和速度信息，经过Clarke变换、Park变换、Park逆变换后输出轴与轴的电压传输给逆变电桥，进行矢量脉宽调制，驱动电机转动，最终实现系统的精准控制，其中基于自抗干扰控制（Active Disturbance Rejection Control,ADRC）算法代替了传统的PI速度控制环，只保留了PI电流环。控制系统中还加入了预充电和故障处理检测功能，实时检测高压安全状况，在功率管发生短路等故障情况时可及时采取保护措施，实现最大程度保护控制器和操作人员的安全。该控制系统具有较好的现实性以及适用性。关键词：STM32；CAN通信；磁场定向控制；预充电；故障检测处理中图分类号：TM343文献标志码：A文章编号：1008-1739（2023）15-47-6SONG Wenwen1,CHEN Jing2,ZHANG Zhiwei1,DING Xuewen1,2*,LI Yajing1(1.School of Electronic Engineering,Tianjin University of Technology and Education,Tianjin 300222,China;2.Tianjin Yunzhitong Technology Co.,Ltd.,Tianjin 300350,China)A motor control system is designed based on the improved FOC(Magnetic Field Oriented Control)with STM32 as themain control chip.The CAN bus control is used,capable of automatic error detection and repair,reducing the wiring and the failure rateof the control system,and enabling the exchange between the motor and the complex communications among the internal modules ofthe control system.The FOC vector control algorithm is used to control the motor operation,and Hall sensor is selected as the FOCposition sensor to obtain the rotor angle information and velocity information.After Clarke transform,Park transform and inverse Parktransform,the output voltage of d axis and q axis is transmitted to the inverter bridge,with the vector pulse width modulation carried outto drive the motor rotation,precisely controlling the system in the end,in which the traditional PI speed control loop is replaced by theADRC-based active disturbance rejection control algorithm and only the PI current loop is retained.The functions of pre-charging andfault handling detection are also added to the control system,enabling real-time detection of high voltage safety,so that power tubeshort circuit and other faults can be taken timely protective measures and the controller and operator safety can be protected to thegreatest extent.The control system has good practicality and applicability.STM32;CAN communication;FOC;pre-charging;fault detection and processing收稿日期：2023-03-2347计 算 机 与 网 络技术论坛一种改进型FOC矢量控制的电机控制系统的设计，该控制系统将STM32作为主控芯片，采用CAN总线控制，可通过STM32IDE Cube MX进行CAN通信底层配置，自动生成代码，极大减少人为编程，加入了预充电检测功能和故障检测处理功能。该控制系统的设计结合了Matbal中的Simulink建模仿真技术，利用Matbal自动生成代码功能输出波形，经调制后最终达到电机控制系统的精准控制，有效提高控制系统的稳定性。1 FOC矢量控制算法FOC矢量控制即磁场定向控制，是针对三相异步电机的调速问题而提出的三相电流矢量控制法，通过Clarke变换、Park变换和Park逆变换将三相交流电流矢量变为旋转的两相直流电流标量控制励磁电流和转矩电流，从而使异步电机可以实现与直流电机相同的调速性能2。首先，采集三相电流经过Clarke变换将其变为两相正交电流，经过Park变换后，将静止的两相电流变为轴与轴上旋转的电流，即和，其中与磁通相关，而与转矩相关，在实际的控制中，轴上的电流通常将其置为0，再通过内环的PI电流将与进行调节后输出与，通过霍尔传感器进行角度信息和速度信息的获取3-4，由PI速度调节器进行速度调节，经过Park逆变换得到输出传给SVPWM，经过矢量脉宽调制转给逆变电桥，驱动电机。FOC控制流程如图1所示。图1 FOC控制流程1.1 Clarke变换Clarke变换是基于FOC矢量控制的等幅值变换，目的是将三相电分解为两相电。其原理是在三相绕组产生的旋转磁动势大小和转速相对等时，则两相绕组与三相绕组达到等效，分解后将会简化这组线性方程的求解。三相坐标系转两相坐标系模型如图2所示，转换矩阵公式如下所示：，（1）式中：为三相变两相的比例系数，=2/3时为等幅值变换。图2三相坐标系转两相坐标系模型1.2 Park变换要想使用SVPWM算法进行脉宽调制，必须使用静止的坐标系，。Park变换将三相电流进行投影，然后等效到旋转的、轴上，由此转子回路的电磁关系微分方程的系数矩阵成为常数矩阵，不再随着时间量与空间量进行变化。Park变换后微分方程得到极大简化，Park变换的公式如下：。（2）1.3 Park逆变换Park变换是对电流作变换，由于需要将得到的反馈计算后再将信号变换回去，输出相对应的三相电压，所以Park逆变换是对电压作变换，转换公式如下：。（3）换算成矩阵形式的公式如下：。（4）1.4坐标变换下仿真模型的搭建利用Matlab中的Simulink对坐标变换模块进行了仿真模型的搭建，深刻解读了坐标变换下控制系统的实现过程，仿真模型搭建如图3所示。图3坐标变换仿真模型搭建1.5 ADRC自抗扰控制在FOC矢量控制算法过程中，外环速度环上选择用ADRC自抗扰控制代替PI控制是因为ADRC自抗扰控制保留了PI优点的同时也可以弥补PI的缺点。ADRC控制在误差的取值上作了较大改变，不再直接由给定的指令去计算得到48计 算 机 与 网 络技术论坛误差，而是安排过渡过程，对给定的指令进行低通滤波，极大程度降低了系统的超调性。加入了跟踪微分器，可以一边跟踪原来的信号，一边提供微分信号。虽然PI控制产生的积分反馈可以消除扰动，但是效果并不明显，控制起来较为复杂，而且也会产生超调现象，由此，在加权的策略上采用了非线性反馈的方式，弥补了PI调节器抗扰动能力不足的问题，引入了扩张观测器用来观测总扰动，可以将系统补偿为积分链，简化了控制难度，之后可以使用熟悉的线性方式进行调速控制5-6。ADRC自抗扰控制调节器的Simulink仿真图如图4所示。图4 ADRC自抗扰控制Simulink仿真图2 CAN通信协议在该控制系统中出于对大量数据实现高速通信的需要以及对安全与方便的考虑，采用了CAN总线控制。CAN通信是多主控制，无主从之分，所有数据都是以固定格式发送，在通信过程中，同一网络里的所有单元必须设定为完全统一的通信速度，否则将会输出错误信号，导致整个网络的通信异常。CAN通信的错误检测、通知和恢复功能十分强大，在与控制系统的通信过程中，所有单元均能自动筛查错误，并且可以自动识别故障种类，判别是驱动器内部产生的错误还是暂时性的外部噪声错误，可将发生此故障的单元与CAN总线隔离7。在CAN通信的使用操作中，最重要的是对数据帧类型的掌握以及对波特率的设置。2.1标准数据帧和扩展数据帧标准数据帧可以拆解为标准帧和数据帧，同样地，扩展数据帧可以拆解为扩展帧和数据帧。标准帧一般用于CAN通信参数的读取，烧录程序时则要将帧的类型设置为扩展帧，而数据帧顾名思义是用来进行数据信息的存放传输。标准数据帧主要由仲裁字段、控制字段、数据字段以及CRC字段构成，该类型帧在数据传输时首先进行12位仲裁字段的传输，其中前11位发送的是该数据的ID号，仅代表一个数据名称，紧接着发送RTR，该位发送为0时，表示为数据帧，若为1为远程帧，随即是IDE的发送，此帧决定了类型为标准帧还是扩展帧。以上完成后，进行数据信息的传输，为了保证数据的准确性，CRC校验位将会进行自动校验。2.2波特率设置波特率的设置是否正确决定了CAN网络进行通信时的稳定与否，CAN通信中波特率的设置是由APB1 CLOCK进行分频得到的。在STM32中可以通过对CAN位定时寄存器CANBIT以及CAN波特率预分频扩展器CANBRDE的设置得到所需要的的CAN通信波特率。如若CAN位定时配置出错，则将会导致CAN模块无法以目标波特率与CAN网络连接，会造成CAN结点通信出现异常情况。位时间由sync_seg（同步段）、prop_seg（传播时间段）、phase_seg1（相位缓冲段1）和phase_seg2（相位缓冲段2）构成，每个时间段由时间份额（）构成，而是由CAN（系统时钟）和波特率预分频器（BRP）来定义，其中Tseg1由prop_seg和phase_seg1构成，而Tseg2与phase_seg2相等。该控制系统的CAN通信参数设置中，波特率设置为500 kb/s，在STM32 CUBE MX中以C语言的形式自动生成代码。波特率在STM32 CUBE MX中的参数设置如图5所示，该控制系统与上位机进行通信时部分报文展示如图6所示，波特率的计算公式如下：=/(+1)*(1+1)+(2+1)，（5）式中：=CAN。（6）图5波特率参数配置图6部分报文展示3系统总体设计该控制系统以STM32为主控芯片，由CAN总线控制系统的数据传输，采用CAN 2.0通信协议获取输入量后由内部屏蔽滤波模式过滤掉不需要的信息，实现控制系统内部以及与外界的通信。采用FOC矢量控制算法作为该控制系统的核心算法，在此算法的基础上对其改进，将ADRC自抗扰控制算法替代PI调节控制，缩短响应时间，提高响应速度。该系统的49计 算 机 与 网 络技术论坛软件设计部分采用C语言来程序编写，在程序设计中多为模块化的方式，将故障检测处理功能设分为预充电故障检测、电池电压故障检测和堵转故障检测等多个小模块的故障检测模块进行顺序检测，实现实时的故障检测。中断控制通过设置定时器3来实现，当计数达到设置的一定上限后进入中断控制程序，在该系统中以10 kHz的频率，100s进一次中断程序，电流采集模块、温度传感器等模块的ADC量采集由中断程序控制实现。硬件模块由电源转换模块、电机驱动模块、接触器驱动模块、温度采集模块以及电流采集模块组成。系统组成框图如图7所示。图7系统组成框图4硬件模块设计4.1电源转换电路电源转换电路的主要功能是完成直流电与交流电之间的相互转换以及直流电与直流电之间的转换。在本模块电路设计中运用了DC-DC电源转换以及LOD电源转换电路完成整体控制器各级模块需要的转换电压。在本电路中涉及24 V转15 V，15 V转5 V，5 V转3.3 V。其中DC-DC电路可作用于升压、降压2种工作环境，在设计中为降压使用，当转换电压差较大时使用DC-DC电路，它可将一个不可控电源转换成可控电源，DC-DC电路中的MP2359开关电源芯片自身产生一个PWM波,通过自举电路让MOS管导通后将PWM波传给BUCK电路进行降压，最后达到预期电压。4.2电机驱动模块电机驱动模块的电路原理是当单片机发出MOS管上管或者下管的开关指令时，PWM信号经过限流电阻，通过驱动芯片来驱动三相电机的MOS管。由于MOS管的上下管不能同时导通，为了尽可能防止炸管现象的出现，驱动芯片选用的是EG3116芯片，该芯片是一款大功率的MOS管，IGBT管栅极驱动芯片，该芯片具有闭锁功能可以防止输出功率管同时导通。4.3接触器驱动模块接触器驱动电路通常会采用功率驱动芯片或三极管来驱动继电器工作，但是使用功率芯片时一定要保证芯片的输出电流完全大于继电器的额定电流，而三极管驱动时也要保证管子处于开关状态下。由此，在本模块的电路设计中采用电压比较器进行PWM调节来控制后级MOS管的的导通与关断，进而控制后级继电器的导通与关断，以此实现给控制器母线供电，在此期间通过电阻分压对继电器开通与关断进行采样。4.4温度采集模块在本设计中设置温度采集模块是为了在电机和控制器温度过高时能够及时监测到温度异常信息，并且及时做出切断电路的保护措施以达到有效保护控制器的目的。在本设计中，该控制器系统的工作温度设定为-4085，电机温度设定为-40130,一旦超过了设定范围，系统会报高低温故障，操作人员将及时对控制器作出处理。电机温度是由KTY84传感器采集，不同的阻值对应不同温度，在测量范围内具有实际的线性温度系数，可以保证高精度的温度测量值，而控制器的温度是由NTC15K温度传感器采集，经滤波器进行低通滤波后将信号传给单片机。单片机每50s进行一次温度采集，根据当时传感器采集的阻值计算出此时相对应的温度。4.5电流采集模块电流采集电路的主要元器件为霍尔传感器，利用霍尔效应采集相电流的电压值，采样得到的输出电压经过霍尔传感器内部放大器的变换输出到单片机的AD模块，以此实现对异步电机三相电流的采样，从而构成电流闭环，实现精准控制并且有效提高响应速度。5软件设计该控制系统的软件设计在STM32Cube IDE的开发环境下进行程序编写，首先上电初始化完成后，立刻进行预充电检测防止大电流通过损坏控制系统，然后控制系统的中断程序进行温度、电流和转速等各项ADC量的采集后进行故障检测，利用上位机软件进行数据反馈，实时监测控制系统的各项指标是否正常，一旦出现任何问题系统即刻作出警告并切断电源作出保护。控制器主流程如图8所示，中断控制流程如图9所示。50计 算 机 与 网 络技术论坛5.1预充电检测预充电路的主要作用是给控制器大电容进行充电，当电容两端并连在电源两端时，在电源接通的瞬间电容两端的电压不会突变，而电容两端的电流会突变，若没有预充电路的存在，接触器会因为大电流发生粘连造成损坏，从而影响电机控制器的安全性和可靠性。在验证该控制系统设计的功能能否正常实现时发生了功率管短路的情况，导致控制器系统的部分元件的损坏，因此在后续控制系统中着重对预充电粘连检测做了升级8。5.2增量式编码器转速的计算增量式编码器用于测量电机转子的相对角度和速度，它有A、B两相脉冲信号输出，相位差为90，若A相超前B相90为正转，反之为反转。QEP正交编码脉冲电路对A、B信号进行增减计数，每个脉冲边沿计数加减1。在程序执行时，每图8主程序流程图9中断控制流程51计 算 机 与 网 络技术论坛领导干部要讲政德新华出版社定价：39.00 元订书电话：[phone] 年全国两会期间，习近平总书记在参加重庆代表团审议时指出，领导干部要讲政德。他高屋建瓴、条分缕析地阐释了“政德”的核心要义，即明大德、守公德、严私德。本书紧紧围绕习近平总书记关于政德的重要讲话精神，内容全面、系统，体现了新时代政德建设的要求，有助于领导干部深入学习政德精神，提升政德修养，在新时代成就新作为，在新征程上谱写新篇章。广告次执行函数若无捕获，则计算当前距上次捕获时间在该时间大于每分钟转数时对应的脉冲间隔时间时，转速认定为0。6结果分析6.1预充电检测升级后结果分析预充电检测增加了电压下限和时间的判断，判断在40 ms电压下是否下降40 V，如果有此情况的出现，则肯定有功率管出现短路，可以及时地作出保护措施。改进之后，预充在主接触器粘连检测后，控制系统将不会接收预充完成的信号，此时U相下管短路，预充完成不了，主接触器并不会吸合，控制系统被成功保护。6.2 ADRC自抗扰控制以及FOC仿真结果结果分析由以下ADRC自抗扰控制仿真模型结果分析（横轴表示为时间，纵轴表示为转速），扰动动时间仅在0.01 s后转速就达到了平稳状态，调制后的马鞍图（横轴表为时间，纵轴表示为时间分配值）显示响应时间大概0.005 s，转速环的波动数据较小，控制比较精准，响应时间比较迅速，系统的稳定性得到了改善。ADRC自抗扰仿真图如图10所示，FOC控制马鞍图如图11所示。图10 ADRC仿真波形图图11调制后的马鞍图7结束语本文设计了一种在传统的FOC矢量控制算法的基础上对内部PI速度环进行改进的控制系统，以ADRC自抗扰控制调节器来替代PI调节器，ADRC的自抗扰能力较强，实现了在较短时间内系统就可以达到平稳的状态。预充电功能和故障检测处理功能的加入使得电机控制系统更加完善，仿真结果表明，该控制系统在实际的控制中具有较好的可实施性和适应性。参考文献1赵靖,曾灵飞.现代电机控制技术的发展现状及展望J.时代汽车,2020(7):22-23.2欧阳磊.基于FOC的交流电机控制系统的研究与开发D.合肥:中国科学技术大学,2009.3易磊,曲荣海,李新华,等.霍尔位置检测的电动汽车永磁电机矢量控制J.微特电机,2018,46(9):63-67.4荀倩,王培良,蔡志端,等.霍尔转子位置预估方法及其误差校正J.电工技术学报,2017,32(6):145-155.5曹正策,楚育博.基于自抗扰的永磁同步电机矢量控制系统J.武汉大学学报,2020,53(1):67-71.6高志强.自抗扰控制思想探究J.控制理论与应用,2013,30(12):1498-1510.7韩冬.基于CAN总线的信号采集与传输的研究D.哈尔滨：东北农业大学，2010.8珣伍,于天剑,李凯迪等.基于预充电模型与RSNA的直流支撑电容器电容量辨识方法J/OL.铁道科学与工程学报:1-122023-01-26.https:/doi.org/10.19713/ki.43-1423/u.T20221418.52