基于嵌入式电源SoC的无传感器磁场定向控制

最新推荐文章于 2024-06-15 15:19:26 发布

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#算法

本文介绍面向现场的控制（FOC）方法，用于汽车中低功率三相电机。阐述无传感器场定向控制理论，包括电机基础、空间矢量调制等。详细说明用TLE9879嵌入式电源SoC实现无传感器FOC的过程，给出软件框图和示例软件，展示其功能及参数配置方法。

本文档旨在向读者简要介绍面向现场的控制，以及如何在汽车应用中用于中低功率三相电机的Infineon嵌入式Power SoC设备上实现该控制。期望读者熟悉电机控制的原理及其在基于微控制器的系统上的实现。

嵌入式电源设备的全部功能和特性在各自的数据表和用户手册中有规定。有关详细说明，请参阅这些文件。TLE9879 EvalKit已被用作所述测量的硬件平台。该EvalKit的原理图和PCB布局是开发新电机控制ECU的最佳起点。同样，FOC实施的相关软件项目也意味着作为一个演示平台

1 引言

本文介绍的现场导向控制（FOC）方法主要针对成本敏感型汽车驱动装置（如风扇、泵和减速电机）日益增长的市场。人们普遍认为，在汽车市场上采用 FOC 驱动的三相电机有两个主要原因：系统成本和能源效率。

事实上，传感器需要额外的成本，包括传感元件以及所需的线束和连接器。这可能会在制造过程中产生问题，成为故障源，降低可靠性。

另一个主要方面是显著提高电机的能效。FOC 方法可实现高达 95% 的能效。这大大降低了功耗，改善了电机的动力、散热和噪音。例如，许多风扇和水泵应用需要静音运行，以限制固体传播的声音，这些声音最终会在车厢内的水管或气管中传播。这通常需要采用控制技术，在电机线圈中产生正弦电流。

英飞凌嵌入式电源 SoC（片上系统）器件可实现三相电机控制 ECU，并对系统尺寸和成本进行了优化。SoC 在单片集成电路上集成了 MCU 和所有必要的外设，只有功率级 MOSFET 作为额外的外部半导体器件。它的一个主要特点是集成了桥式驱动器和创新的栅极驱动器，从而简化了开发和系统优化（例如，提高电磁兼容性能和适应各种不同功率级特性的能力）。

2 无传感器场定向控制理论

本章旨在概述永磁同步电机无传感器FOC的理论。用TLE987x实现的控制方案是基于本章所述的理论。

在这些段落中，读者可以找到关于直流电机和电机控制的概述，以及对FOC理论的描述。关于这些算法的TLE987x实现的详细信息，请参阅使用TLE9879嵌入式电源SoC实现无传感器FOC一章。

2.1 两相（直流）电机基础知识

两相电机，也称为直流电机，由形成定子结构的永磁体和缠绕在转子上的线圈组成。需要一个机械换向器，即所谓的“电刷”机构，以便将电流馈送到线圈。该换向器将自动切换电流方向，以便在所有转子位置产生正确的扭矩。

通过调节电刷处的电压振幅来控制两相电机，同时产生的电流与电机的扭矩成比例。电机的速度取决于电压和扭矩。

2.1.3两相电机控制：闭环速度和转矩控制正如预期的那样，可以使用级联控制结构，因为速度变化要求通常比电流和转矩的要求慢得多。速度控制需要一个速度传感器，例如：转速表，扭矩控制需要电流传感器，如第2.1.2点所示。速度控制的输出是电流控制的参考电流。通常，PI控制器同时用于速度和电流控制。

2.2三相电机基础

用于中低功率汽车应用的大多数三相永磁同步电机也称为无刷直流电机。由于已发表的文献中使用了不同的术语，因此将对它们进行简短的解释和比较。

术语BLDC代表无刷直流电机。考虑到包括无刷直流电机在内的三相电机需要交流电流才能转动，这个术语乍一看可能会导致混淆。然而，这个术语旨在强调两相（或直流）和三相无刷直流电动机之间的相似之处。事实上，无刷直流电机的结构在一个关键方面是相似的：无刷直流电动机的转矩方程类似于有刷直流电动机（见第2章“两相电动机控制：闭环转矩控制”），因为两者都与电流成正比。

然而，与直流有刷电机不同的是，无刷直流电机的定子中装有电磁线圈，转子上装有永久磁铁--事实上，它通常被称为 "内向外 "直流电机。这种结构解决了直流电机的一些缺点，用一个三相桥（也称为逆变器）提供的电子换向取代了有刷电机的机械换向。无刷直流电机的一些典型优点包括

- 避免电刷中的能量损耗

- 节省电刷维护成本

- 由于没有机械电刷故障风险，提高了可靠性

PMSM一词强调电机的结构，定子中有线圈，转子中有永磁体，以及它以与线圈交流频率成比例的速度旋转。

由于这些特性由无刷直流电机共享，一些出版物将无刷直流视为永磁同步电机的一种。

然而，在行业中，BLDC和PMSM这两个术语经常被用来相互对立。这种用法的不同之处在于定子绕组的结构。无刷直流电机一词用于具有集中绕组和表面安装磁体的电机，而更一般地，当绕组呈正弦分布或磁体未表面安装时，使用永磁同步电机。这种结构上的差异会影响磁体和共线之间的磁通连接。这使得无刷直流电机的反电动势（BEMF）电压具有梯形形式，而永磁同步电机的反电动动势是正弦形式。