基于MC56F82748 DSC的单电阻采样三相交流 感应电机的矢量控制 -

Freescale Semiconductor

设计参考手册

Document Number: DRM153

Rev. 0, 10/2014

基于MC56F82748 DSC的单电阻采样三相交流感应电机的矢量控制

1 概述

目录

1.1 参考方案简介

1 概述 本文档描述了基于飞思卡尔电机控制专用的数字信号2 控制原理 控制器MC56F82748的三相交流感应电机矢量控制方案。

3 系统概念 三相交流感应电机因为其结构简单、工艺成熟、造价4 硬件设计 低廉、无电刷、维护简单、鲁棒性强等优点，被广泛应用于工业控制中。如水泵、风机、压缩机、制冷系5

软件设计

统中。

为了实现三相交流感应电机的调速，需要对电机提供电压幅值和频率可变的交流电，一般使用由数控开关逆变器构成的三相变频器。

电机的控制算法大体分为两类，一类是标量控制，如被广泛应用的V/F恒压频比控制。另一类被称为矢量控制或磁场定向控制（FOC）。相对于标量控制，矢量控制全面提升了电机驱动性能，比如矢量控制实现了转矩和磁链的解耦控制、全转矩控制、效率更高且提高了系统的动态性能。

基于飞思卡尔电机控制专用的数字信号控制器

MC56F82748的三相交流感应电机矢量控制是一个面对客户和工业应用的设计方案。低成本和高可靠性是两个关键的考量指标。为了减小系统成本，我们采用了单电阻电流采样方案。为了减少系统对参数的依赖，我们使用了闭环的磁链估算方案，提升了系统稳定性和鲁棒性。

本文档介绍了基本的电机控制理论，系统的设计理念，硬件设计、软件设计，包括FreeMASTER可视化软件工具。

? Freescale Semiconductor, Inc., 2014. All rights reserved.

_______________________________________________________________________

1 9 28 31 38

1.2 飞思卡尔数字信号控制器的优势和特点

飞思卡尔MC56F82748数字信号控制器不仅带有兼具DSP和MCU优点的内核，同时还集成了诸多如脉宽调制器（PWM）、模数转换器（ADC）、定时器、DMA、内部模块互联单元（XBAR），通信外设（SCI，SPI，IIC），和片内Flash和RAM存储器等专用外设模块，非常适用于数字电机控制应用。

MC56F82748集成以下功能模块： ? 50 MHz内核

o 单周期32位乘以32位结果为32位或64位乘 - 累加指令，支持一个可选的32位并行数据搬移指令 o 单周期16位乘以16位结果为16位或32位乘 - 累加指令，支持两个可选的16位并行数据搬移指令 o 四个包含扩展位的36位累加器 ? 片内64 KB Flash ? 片内8 KB RAM ? COP看门狗 ? 中断控制器 ? 系统集成模块

? 8通道高精度脉宽调制器 ? 定时器

? 两个带X1、X2、X4可编程放大器的8通道高速12位ADC ? 两个12位DAC

? 四个带6位参考DAC的模拟比较器 ? 串行通信接口：IIC、SCI、SPI和CAN ? 四通道DMA

? 两个内部模块互联单元（XBAR） ? 与/或/非模块 ? 低功耗控制模块 ? 循环冗余校验码产生器

2

基于MC56F82748 DSC的单电阻采样三相交流感应电机的矢量控制设计参考手册, Rev. 0, 10/2014

Freescale Semiconductor

图 1 MC56F827XX简化框图

三相交流感应电机矢量控制和单电阻电流采样算法对PWM和ADC模块有特殊的需求。MC56F82748的eFlexPWM模块提供了非常灵活的配置功能，可以实现高效的三相交流感应电机矢量控制和单电阻电流采样。更为甚者，该eFlexPWM模块还能在中心对齐模式下产生非对称的PWM输出。

eFlexPWM模块有以下主要特点：

? 16位分辨率，支持中心对齐、边沿对齐和非对称PWM输出 ? 高精度小数延时功能，同时支持高精度PWM频率和占空比 ? 支持互补或独立PWM输出 ? 支持符号数PWM生成 ? PWM两个边沿的独立控制

? 支持与外部硬件或其它PWM模块同步功能 ? 双缓冲PWM寄存器

? 每个PWM周期多个硬件触发输出 ? 支持双开关PWM输出

? 每个故障输入能控制多个PWM模块输出 ? 可编程的故障引脚输入滤波器

基于MC56F82748 DSC的单电阻采样三相交流感应电机的矢量控制设计参考手册, Rev. 0, 10/2014 Freescale Semiconductor

3

? 独立可编程的PWM输出极性 ? 独立的上下管死区时间插入

? 每个互补PWM信号对有自己独立的PWM频率和死区时间 ? 每个PWM输出支持独立的软件控制

? 通过FORCE_OUT事件，能同时更改所有PWM输出状态 ? PWM_X能配置成为每个PWM模块第三个PWM输出信号 ? 未作为PWM输出使用的通道能配置为带缓冲的比较输出功能 ? 未作为PWM输出使用的通道能配置为输入捕获功能 ? 增强的双边沿捕获功能

? 每个PWM互补对的源信号可以来自以下信号：

o 内部模块互联单元（XBAR）输出 o 经过高低限幅寄存器处理的外部ADC输入

12位ADC模块有以下主要特点： ? 12位分辨率

? 支持最高10 MHz输入时钟 ? 高达2.5 MSPS采样率

? 单次转换时间：10个ADC时钟周期 ? 顺序转换时间：8个ADC时钟周期

? 并行同时转换模式下，完成8个通道转换仅需34个ADC时钟周期 ? 通过内部模块互联单元，能实现与如eFlexPWM等模块的同步操作 ? 顺序扫描模式可存储多达16个测量结果

? 并行扫描模式每个ADC模块可存储多达8个测量结果 ? 支持扫描暂停并在新的触发输入来临时继续原来扫描序列 ? 可配置输入信号增益：x1、x2和x4

? 如果转换结果超过限幅或有过零发生，可配置在转换完成后产生中断事件 ? 当扫描结束或转换结果已经就绪，可触发DMA功能搬移转换结果数据 ? 通过减去预编程的偏移值，可实现采样纠正功能 ? 支持有符号或无符号结果输出

4

基于MC56F82748 DSC的单电阻采样三相交流感应电机的矢量控制设计参考手册, Rev. 0, 10/2014

Freescale Semiconductor

? 支持单端或差分输入

? 三个模拟输入支持滞环PWM输出

本方案使用ADC与PWM的同步功能。此配置可以在所需的时间内完成对所需的逆变器电流和电压等模拟信号的同时转换。

1.3 参考文档

? DSP56800E and DSP56800EX Reference Manual， DSP56800ERM，Rev.3，可从freescale.com官网下载 ? MC56F827xx Reference Manual，MC56F827XXRM，Rev.1，可从freescale.com官网下载 ? FreeMASTER Software User’s Manual，freescale.com/FreeMaster，飞思卡尔半导体提供 ? Freescale’s Embedded Software Libraries，freescale.com/fslesl，飞思卡尔半导体提供 ? 飞思卡尔电机控制，freescale.com/motorcontrol，飞思卡尔半导体提供 有关最新文档版本，请访问freescale.com。

1.4 缩略语和缩写

表 1 缩略语

术语 AC ADC API FSLESL BEMF BLDC CCW COP CW DAC DC

交流电 模数转换器 应用程序接口

飞思卡尔嵌入式软件函数库 反电动势 无刷直流电机 逆时针方向 看门狗 顺时针方向 数模转换器 直流电

含义

基于MC56F82748 DSC的单电阻采样三相交流感应电机的矢量控制设计参考手册, Rev. 0, 10/2014 Freescale Semiconductor

5

DMA DRM DT GPIO HSCMP I/O ISR IIC LED DSC PDB PLL PWM RPM XBAR SCI SPI

直接存储器访问模块 设计参考手册 死区时间

通用目的输入/输出 高速比较器模块

计算机系统与外部世界之间的输入/输出接口 中断服务例程 集成电路总线 发光二极管 数字信号控制器 可编程延时模块 锁相环 脉冲宽度调制器 每分钟转速 内部模块互联单元 串行通信接口模块 串行外设接口模块

6

基于MC56F82748 DSC的单电阻采样三相交流感应电机的矢量控制设计参考手册, Rev. 0, 10/2014

Freescale Semiconductor

1.5 符号列表

表 2 符号索引列表

符号

d,q 定义

正交旋转坐标系 正交静止坐标系 定子电压在静止正交坐标系下的分量 定子电压在旋转正交坐标系下的分量 a、b、c相定子电流

定子电流在旋转正交坐标系下的分量 定子电流在静止正交坐标系下的分量 转子电压在静止正交坐标系下的分量 转子电压在旋转正交坐标系下的分量 转子电流在旋转正交坐标系下的分量 转子电流在静止正交坐标系下的分量 转子励磁电流

定子磁通在静止正交坐标系下的分量 定子磁通在旋转正交坐标系下的分量 转子磁链角 定子相电阻 转子相电阻 定子相电感 定子相漏感 转子相漏感 转子相电感

usα,usβ isa,isb,isc isα,isβ isd,isq usd,usq

α,β urα,urβ urd,urq irα,irβ Ψs??Ψsβ Ψs??Ψsq θΨ Rs Rr Ls imr ird,irq

Lsσ Lrσ Lr

基于MC56F82748 DSC的单电阻采样三相交流感应电机的矢量控制设计参考手册, Rev. 0, 10/2014 Freescale Semiconductor

7

ω,????,??????????,????

fslip Pp τr Te fs

Lm

定转子互感

转子电气角速度/转子电气角速度/滑差电气角速度/同步电气角速度 定子磁链同步频率 滑差频率 电机极对数 电磁转矩 转子时间常数

8

基于MC56F82748 DSC的单电阻采样三相交流感应电机的矢量控制设计参考手册, Rev. 0, 10/2014

Freescale Semiconductor

2 控制原理

2.1 三相交流感应电机

三相交流电机是一种用三相交流电控制的旋转机械，为了实现转速可调，电压源一般使用由功率开关元器件构成的逆变器，产生幅值和频率可调的近似正弦波的交流电压。

一个三对极的三相交流感应电机的剖面图如图 2所示，定子槽内嵌有a，b，c三相绕组。为了在气隙中生成近似正弦的磁势，绕组采用分布式绕制。当定子绕组流过三相对称、相角互差120°的正弦交流电流时，气隙中会形成一个以定子电流频率旋转的磁场矢量。

根据三相交流感应电机的转子结构的不同，可分为鼠笼式和绕线式，其中鼠笼式最为常见，鼠笼式转子绕组是自己短路的绕组，在转子铁芯的每个槽中放有一根导体（材料为铜或铝），导体比铁芯长，在铁芯两端用两个端环将导体短接，形成短路绕组。若将铁芯去掉，剩下的绕组形状似松鼠笼子，故称鼠笼式绕组。

图 2 三相交流感应电机-剖面图

若初始时转子处于静止状态，由定子三相交流电产生的气隙磁场将从转子导条上扫过，在转子导条上产生了感应电压，进而在短路的转子中感应出感应电流。气隙磁链和转子感应电流相互作用产生转矩。感应电机典型的转矩转速曲线如图 3所示。 在电机以同步转速运行时，转子中不可能产生感应电流，因此，也不可能产生转矩，在任何其他转速????时，转速差?????????称为滑差。

基于MC56F82748 DSC的单电阻采样三相交流感应电机的矢量控制设计参考手册, Rev. 0, 10/2014 Freescale Semiconductor

9

转矩刹车区发电电动电动运行区间发电运行区间转速/同步转速（比例）-60-40-20020406080100120140160180

图 3 三相感应电机速度-转矩特性曲线

2.2 三相交流感应电机的数学模型

交流感应电机有很多数学模型。用于矢量控制的模型可以从空间矢量理论的角度去分析。三相电机物理量（诸如电压，电流，磁链等）可以用综合空间矢量来表示。这个模型适用于任何电压电流瞬态时刻，可以同时表征电机在稳态和瞬态的运行性能。综合空间矢量可使用两个正交坐标轴来表示。因此我们可以将电机看成两相电机。使用该两相电机模型可以减少电机方程数量，从而简化控制算法。

2.2.1 空间矢量的定义

我们假设isa , isb , isc 是对称的三相定子电流：

??????+??????+??????=??

等式 1

这里我们定义如下的定子电流空间矢量：

is=kisa+aisb+a2isc等式 2

()

这里的a 和a2 是空间算子??=????????/??, ??2=????????/??, k 基于磁势不变的变换常数，k=2/3。图 4所示为定子电流空间矢量投影。

10

基于MC56F82748 DSC的单电阻采样三相交流感应电机的矢量控制设计参考手册, Rev. 0, 10/2014

Freescale Semiconductor

等式 2定义的空间矢量可以使用两相坐标理论表示。空间矢量的实部等价表示瞬态直轴定子电流分量isα ， 而虚部等价表示瞬态交轴定子电流分量isβ ，因此建立在定子上的两相静止参考坐标系的定子电流空间矢量可以表示为：

iisα+jisβ=s等式 3

β phase- b i s β

图 4 定子电流空间矢量与投影

在三相对称电机里，静止坐标系的交直轴定子电流分量是虚拟的两相电流分量，可以用如下三相

定子电流表示：

??????????=????????????????????????

????等式 4

??????=??

√??(?????????) ??????

等式 5

基于MC56F82748 DSC的单电阻采样三相交流感应电机的矢量控制设计参考手册, Rev. 0, 10/2014 Freescale Semiconductor

11

这里的k=2/3 是基于磁势不变的变换常数，简化后方程为：

??????=??????

等式 6

??????=

√????等式 7

(?????????????)

其它的电机物理量的空间矢量（电压、磁链等）都可以用如上定子电流空间矢量的方法表示。

2.2.2 三相交流感应电机数学模型

在对三相交流感应电机数学模型分析之前，我们假设电机气隙均匀，绕组产生的气隙磁场按正弦规律分布. 由于三相电压方程中含有大量的瞬态变量比较麻烦，所以使用静止两相坐标系理论（克拉克变换）重构电机瞬态方程会更简单实用。那么三相交流感应电机在基于α, β 定子静止坐标系表示的定转子电压动态方程为：

??????=??????????+

等式 8

???? ????????

??????=??????????+

等式 9

????????????

??=??=??????????+??????+????????

????等式 10

???? ????????

??=??=??????????+???????????????

????等式 11

定子和转子磁链方程用定转子空间电流矢量表示方程为：

??????=??????????+??????????

等式 12

??????=??????????+??????????

等式 13

??????=??????????+??????????

等式 14

12

基于MC56F82748 DSC的单电阻采样三相交流感应电机的矢量控制设计参考手册, Rev. 0, 10/2014

Freescale Semiconductor

??????=??????????+??????????

等式 15

电磁转矩的空间矢量方程为：

??????=???? ???????????????????????????

??等式 16

相关符号术语含义请参见表 2。

除了基于定子静止坐标系，电机电压矢量方程还可以基于一种更通用的旋转坐标系来表示，其旋转速度为 g。如果基于旋转坐标系，直轴交轴分量 x, y 以瞬时速度g=dθg/dt旋转，如图 5所示，这里的角度θg 就是定子静止坐标系α轴分量与通用坐标系 x轴分量的夹角，等式 17定义了旋转坐标系下定子电流空间矢量方程：

isg=ise?jΘg=isx+jisy

等式 17

y β xg

图 5 旋转坐标的应用

同样，定子电压和磁链空间矢量也可以用通用坐标系表示。

同样，转子电压，电流，磁链空间矢量也可以用类似的分析方法。定位于转子的坐标系实轴与定

子坐标系直轴夹角为θr。我们可以看到，转子坐标系的实轴与通用坐标系的实轴x的夹角为θg-θr，所以在通用坐标系中，转子电流空间矢量可以表示为：

irg=ire?jΘg?θr()=irx+jiry

等式 18

这里的????? 是在转子参考坐标系里的转子电流空间矢量。

基于MC56F82748 DSC的单电阻采样三相交流感应电机的矢量控制设计参考手册, Rev. 0, 10/2014 Freescale Semiconductor

13

同样，转子电压和磁链空间矢量也可以用通用坐标系表示。

通用坐标系电机电压方程可以利用介绍过的坐标变换从静止坐标系旋转变换到通用坐标系来推导。矢量控制经常使用三相交流感应电机模型。矢量控制的目的就是使用类似直流电机的控制方案实现高性能的交流电机动态控制。为实现这个目标，可以把参考坐标系定位于定子磁链空间矢量，转子磁链空间矢量，或者气隙磁链空间矢量。最常见的就是定向在转子磁链空间矢量，其直轴为d，交轴为q。

经过dq坐标变换，电机数学模型可以表示如下：

??????

??=??????????+?????????????????

????等式 19

??????=??????????+??????=??=??????????+??????

等式 20

等式 21

??=??=??????????+??????+(???????)??????

????等式 22

????+(????+??)?????? ????????

????+?????????? ????????

??????=??????????+??????????

等式 23

??????=??????????+??????????

等式 24

??????=??????????+??????????

等式 25

??????=??????????+??????????

等式 26

??????=???? ???????????????????????????

??等式 27

图 6标示了定子电压矢量，定子电流矢量和定转子及气隙磁链在dq轴参考坐标系下的分布。其中d轴定向在转子磁链矢量方向。

14

基于MC56F82748 DSC的单电阻采样三相交流感应电机的矢量控制设计参考手册, Rev. 0, 10/2014

Freescale Semiconductor

图 6 三相交流感应电机矢量控制矢量图

交流感应电机在稳态的模型可以用稳态等效电路表示，如图 7所示。

图 7 三相交流感应电机等效电路图

2.3 三相交流感应电机的矢量控制

2.3.1 矢量控制基本原理

高性能的电机控制表现为整个速度范围运行平稳，零速下全转矩控制，和快速的加减速特性。三相交流电机一般使用矢量控制来实现上述目标。矢量控制技术又称磁场定向控制（FOC）。FOC最基本的思想就是将定子电流解耦成一个控制磁场的电流分量和一个控制转矩的电流分量。经过解耦后，两个电流分量独立受控，互不干扰。这时交流电机的控制器就和他励直流电机控制器一样简单。

基于MC56F82748 DSC的单电阻采样三相交流感应电机的矢量控制设计参考手册, Rev. 0, 10/2014 Freescale Semiconductor

15

图 8展示了三相交流感应电机基本的矢量控制算法结构。为实现矢量控制，需要执行下列步骤： 1 检测电机物理量（相电压、相电流和转速）。

2 使用克拉克变换将三相定子电流变换到两相坐标系 (α,β) 。 3 计算转子磁链空间矢量的幅值和相角。

4 使用派克变换将αβ轴定子电流旋转变换到dq坐标系。 5 分别独立控制转矩电流 （isq）分量和励磁电流（isd） 分量。 6 使用解耦模块计算输出定子电压空间矢量。

7 定子电压空间矢量经过反派克变换从dq坐标系变换到αβ两相坐标系。 8 使用空间矢量调制，产生三相电压输出。

DQ轴控制器A相旋转到静止变换B相C相三相到两相变换静止到旋转变换三相系统二相系统三相系统交流直流交流静止坐标系旋转坐标系静止坐标系

图 8 矢量控制的变换关系图

为了将定子电流分解为转矩电流分量和励磁电流分量，必需知道电机励磁磁通的位置，这需要精确检测转子的位置和速度信息。在矢量控制系统中，通常使用安装在转子上的增量式编码器或测速发电机来作为转子位置传感器。然而在一些应用中，位置传感器不能被使用，那么需要采用一些间接的技术来估计转子的位置，这种不直接使用位置传感器的算法叫做无位置传感器控制。

2.3.2 矢量控制算法

图 9所示是基于三相交流感应电机的矢量控制算法系统框图。其它矢量定向控制方案和其类似，可以实现电机磁场和转矩的独立控制。控制的目标是调节电机的转速。速度命令值由上层控制设定。具体算法由两个控制环路实现。快速内环200微秒执行一次。慢速外环1毫秒执行一次。

16

基于MC56F82748 DSC的单电阻采样三相交流感应电机的矢量控制设计参考手册, Rev. 0, 10/2014

Freescale Semiconductor

Digital Signal Controller 56F827XXUmaxIsdmaxf-statorIsd_req+-DecouplingPWM OutputPWMPI controllerIsq_req+-IsqCorrectionUdUqAdaptive CircuitIsdRotor Flux EstimatorPI controller++thetaDC-Bus Voltage3-phase Current ReconstructionDC-Bus CurrentADCIdcbUdcbUqα,βField-Weakening ControlPI controller++Udd,qSVM PWMSpeed reference+-Measured SpeedCaptured TachoGenerator SignalSpeed Calculatorslow control loopfast control loopQuad TimerTachoVoltageCMPOuter (Slow) Speed Loop running at several ~ 1msecInner (Fast) Current Looprunning at several ~ 200μsec

图 9 ACIM矢量控制算法架构

为实现精确的三相交流感应电机的速度控制，需要采集反馈信号。必要的反馈信号包括：相电流、母线电压、转速。在本应用中，相电流的重构是基于单电阻采样进行的，用作电流环的反馈输入，母线电压的检测是为了过压、欠压保护和母线电压的纹波消除。测速发电机作为本应用中的速度传感器。

快速控制环执行两个独立的电流环控制。分别为直轴和交轴(isd, isq) PI控制器。直轴电流用于控制转子励磁磁通，交轴电流则控制电机转矩。电流PI控制器输出再加上相应的解耦环节，这就得到了施加于电机上理想的定子电压空间矢量。快速控制环执行以下必要的任务来完成对定子电流分量的独立控制： ? 相电流重构 ? 克拉克变换

? 派克变换和反派克变换 ? 定子电压解耦 ? 转子磁链预估 ? 直交轴电流环PI调节

基于MC56F82748 DSC的单电阻采样三相交流感应电机的矢量控制设计参考手册, Rev. 0, 10/2014 Freescale Semiconductor

17

? 母线电压纹波消除 ? 空间矢量调制（SVM）

慢速控制环执行速度控制环和实时性要求不高的控制任务。速度PI控制器输出作为产生转矩的交轴电流 (isq)的参考值。弱磁控制器输出作为产生磁链的直轴电流(isd)的参考值。转子时间常数校正环节的引入是为了降低因电机发热等因素引起的转差率估算误差。慢速控制环执行以下必要的任务来完成速度分量和磁链分量的控制： ? 速度计算

? 转子时间常数校正PI调节 ? 速度环PI调节 ? 磁链环PI调节 ? 电流环耦合分量计算 ? 非回馈制动限幅值切换

2.3.3 转子磁链估算

转子磁场空间矢量的位置获取对感应电机矢量控制是至关重要的。dq轴参考坐标系只有在转子磁场方向确定后才能建立。目前有很多种方法来估算转子磁链空间矢量角度，本文采用在dq轴下的转子磁链时不变方程来估算转子磁链。

转子磁链在dq轴下方程可由转子电压公式推导得到，但是此公式中存在不能直接测量的转子电流(??????, ??????)。转子电流方程可由等式 25和等式 26推导得到：

??????=

????????????? ????????????

等式 28

??????=

将以上方程代入转子电压方程，可以得到：

????????????? ????????????

等式 29

??????????????????=???????+(???????)?????? ????????????

等式 30

??????????????????=????????(???????)?????? ????????????

等式 31

18

基于MC56F82748 DSC的单电阻采样三相交流感应电机的矢量控制设计参考手册, Rev. 0, 10/2014

Freescale Semiconductor

其中????为转子时间常数，即：

????=

等式 32

???? ????

在转子磁场定向的矢量控制算法中，我们假定d轴和转子磁场矢量重合，可以得到以下公式：

??????????=??????

等式 33

??????=??

等式 34

将其代入等式 30和等式 31，我们可以得到转子磁链的单一微分方程：

??????????????=??? ????????????????????

等式 35

稳态时转子磁链可以用励磁电流来表示：

?????????????? ????=????

等式 36

等式 35使用励磁电流可以表示为：

??1??????=(?????????????) ????????

等式 37

这个离散化的方程用微控制器可以很容易的实现。

为了得到定子电流的d轴分量，我们需要得到转子磁场矢量的位置，磁场矢量的位置可以通过同步

角速度积分得到。同步角速度等于转子转速加上滑差转速。

????=?(????+??????????)????

????

等式 38

基于MC56F82748 DSC的单电阻采样三相交流感应电机的矢量控制设计参考手册, Rev. 0, 10/2014 Freescale Semiconductor

19

其中滑差转速??????????可以结合等式 22，等式 26，等式 27，等式 36推导得到，经过化简后可以得到：

??????????

等式 39

1??????= ??????????

等式 34和等式 37描述了转子磁链在dq轴旋转坐标系下的模型。这个模型的优点在于它是一个线性时不变的坐标系下估算的。很多非线性时变耦合的变量都可以用直流量来表示。不足之处在于此模型严重依赖转子时间常数，而转子时间常数随着转子温度波动很大，为了保证算法的精度，我们需要对方案进行改进，在下一节中将介绍转子时间常数校正算法。

为了能在DSC中计算转子磁链模型，我们需要对式等式 37，等式 38进行离散化，这里我们采用后向欧拉公式进行离散化，离散后的转子磁链模型如下：

?????

????????=??????+??????????????

等式 40

????

(???????????????) ????

?????????????????

????=??+??(??+) ??????????????????

????????????

等式 41

其中上标k和k-1代表分别在k和k-1步骤中采样的变量值，??????????????为采样周期。

2.3.4 转子时间常数校正

上述转子磁链模型严重依赖转子时间常数，不准确的转子时间常数会导致dq轴分量估算不准确，

从而降低系统的动态性能和稳定性。这个问题可以通过一个在线实时转子时间常数校正算法来解决。

目前有很多文献中提出了一些校正技术，这些技术的目的几乎都是将电机测量出的状态变量和估算值进行比较，然后用误差来校正模型参数，我们称这类观测器为闭环观测器，与开环观测器相比，闭环观测器提高了系统的精度。

本文的转子时间常数校正算法是基于定子电压方程提出的，定子电压反电势方程可以由 等式 19和等式 20中推导出，转子时间常数校正环节适合在低带宽的控制回路中运行。稳态下的定子电压方程可以简化为如下方程：

??????=?????????????????????

等式 42

??????=??????????+??????????

等式 43

20

基于MC56F82748 DSC的单电阻采样三相交流感应电机的矢量控制设计参考手册, Rev. 0, 10/2014

Freescale Semiconductor

SVM其实就是作为矢量控制（电压空间矢量）和PWM之间的一座桥梁。 SVM技术由以下几步组成： 1. 扇区判断

2. 空间矢量分解为扇区对应的两个相邻电压矢量 Ux, Ux±60 3. PWM占空比计算

SVM的原理就是利用固有基本电压矢量 UXXX 和 OXXX 在一个PWM周期TPWM 内合成的平均矢量来等效期望的电压矢量。

这个方法在一个PWM周期内可以灵活配置零矢量和运动矢量。可以选择以降低开关损耗为目的的配置，也可以为达到不同的效果选择其它的配置，例如中心对齐的PWM、边沿对齐的PWM、最少的开关切换的PWM等。 对于SVM，我们定义以下规则：

期望的电压空间矢量由所在扇区的固有基本电压矢量合成：运动矢量 (Ux, Ux±60) 和零矢量 (O000 or O111).

SVM原理可以用下面的表达式表示：

?????????????[??,??]=?????????+?????????±????+?????(????????∨????????)

等式 63

????????=????+????+????

等式 64

为算出T0， T1 ，T2时间 ，就必须将空间电压矢量US[α,β]分解到运动电压矢量Ux, Ux±60上。 等式 63可以分解为等式 65和等式 66。

???????????????=?????????

等式 65

?????????????(??±????)=?????????±????

等式 66

26

基于MC56F82748 DSC的单电阻采样三相交流感应电机的矢量控制设计参考手册, Rev. 0, 10/2014

Freescale Semiconductor

通过计算这些方程，我们就可以计算出电压矢量所在扇区固有基本电压矢量在一个PWM周期内的作用时间，以此来产生正确的定子电压。

????=????=???

|??????||????|

???????? 运动矢量UX作用时间

等式 67

|??????|??±?????

???????? 运动矢量UX±60作用时间

等式 68 等式 69

????=?????????(????+????) 零矢量 O000 和 O111作用时间

基于MC56F82748 DSC的单电阻采样三相交流感应电机的矢量控制设计参考手册, Rev. 0, 10/2014 Freescale Semiconductor

27

3 系统概念

3.1 系统概述

本系统是一个三相感应电机驱动系统，系统架构如下： ? MC56F82748控制子卡 ? 三相电机高压功率板 ? 控制技术包括：

o 带位置传感器的三相感应电机矢量控制 o 速度闭环控制 o 正反转控制

o 电动机和发电机模式运行 o 基于单电阻的三相电流重构 o 电流闭环控制

o 磁链和转矩独立解耦控制 o 自适应转子磁链估算 o 高速弱磁控制

o 高调速范围，最大转速17000 RPM（一对极电机） ? FreeMASTER软件控制界面（电机启动/停止，设定转速）

o FreeMASTER软件示波器（实际和需求转速观测、母线电压） o FreeMASTER高速录波仪（重构的电机三相电流、矢量控制算法变量） ? 故障保护

o 直流母线过压、欠压保护 o 过流保护

28

基于MC56F82748 DSC的单电阻采样三相交流感应电机的矢量控制设计参考手册, Rev. 0, 10/2014

Freescale Semiconductor

3.2 系统控制结构

整个应用系统包括以下几部分硬件模块： ? 驱动电机的高压功率板 ? 三相交流感应电机 ? MC56F82748控制子卡

MC56F82748数字信号控制器通过响应用户的FreeMASTER输入命令和硬件系统反馈的电压电流信号，执行控制算法代码后产生一系列PWM信号来控制IPM驱动三相交流感应电机。

3.2.1 电机控制过程

电源输入220V交流3.3VMC56F82748控制子卡电源输入5VAC/DC整流15V母线电压母线电压模拟信号调理三相电流重构PWM SUBMODULE3ADC触发ANA0ANA1直流母线母线电流过流信号相电流PWM重载母线电流FAULT0三相高压功率板IPMPWM 10KHzFOCSVMPWM0-5三相逆变桥IsqIsd弱磁测速发电机信号实际转速QT0需求转速RS232ACMPPI电机状态机FreeMASTERSCIPC端FreeMASTER

图 13 系统框图

图 13所示为三相交流感应电机的带测速发电机的磁场定向控制系统框图。系统的参考转速可以通过PC端FreeMASTER键入，实际转速由测速发电机的输出信号经过ACMP和QT0两个外设单元处

基于MC56F82748 DSC的单电阻采样三相交流感应电机的矢量控制设计参考手册, Rev. 0, 10/2014 Freescale Semiconductor

29

理后在中断函数中计算得到。参考转速和实际转速的误差值作为速度环的输入，速度环的输出作为q轴电流环的参考输入。为达到较高的转速，励磁分量需要弱磁，电流环输出的电压值和系统最大电压值的误差值作为弱磁环的输入，弱磁环的输出为d轴电流环的参考输入。

直流母线电压由ADC采样得到，ADC采样时刻由PWM模块产生的硬件触法信号来控制，采集的直流母线电压值经过一个数字滤波器处理后被使用，而相电流采样值不需要滤波处理直接使用。电机的三个相电流通过母线电流重构得到。重构得到的三相电流经变换后作为直交轴电流环的输入量。

系统采用两个独立的电流PI调节器（分别在d轴和q轴）来控制电机电流环。磁场定向控制（FOC）算法的输出是定子电压空间矢量。该电压空间矢量通过空间矢量调制技术转换成PWM占空比。再通过三相电压源逆变器产生三相定子电压，连接到功率电路板的三相输出端给电机供电。 系统采用安装在PC端的FreeMASTER 人机界面进行控制，FreeMASTER通讯软件采用RS232串行通讯协议，实现了信号的电气隔离。

电机驱动的状态机掌控着电机的运行状态，本驱动中有四个状态：初始化、停止、运行和故障保护。实际控制状态由FreeMASTER控制页面显示。 在过压、欠压或者过流故障时， PWM信号被禁止。

30

基于MC56F82748 DSC的单电阻采样三相交流感应电机的矢量控制设计参考手册, Rev. 0, 10/2014

Freescale Semiconductor

4 硬件设计

4.1 硬件概述

本应用中，电机控制板由两部分构成，功率板和Freescale MC56F82748 DSC控制子卡，完成对三相交流感应电机的FOC控制。该应用采纳了Fairchild公司的 IPM （FSBF3CH60B），最大耐压：600V， 最大电流：3A；功率板的AC电源输入设计，满足110V和220V的不同电压规格。此外，功率板还包括以下接口，用于系统的扩展应用：母线过压制动电阻接口、用于通信/调试的电气隔离USB接口、编码器接口、测速发电机信号接口、用于温度检测的ADC接口和其它可扩展IO端子。 图 14所示为系统功率板实物图。

DSC控制子卡卡槽

功率板

图 14 电机功率板

基于MC56F82748 DSC的单电阻采样三相交流感应电机的矢量控制设计参考手册, Rev. 0, 10/2014 Freescale Semiconductor

31

图 15所示为DSC子卡实物图。

MC56F82748

JTAG口

图 15 DSC控制子卡

4.2 电机控制板规格参数

功率板：

? 输入电压220V AC，50Hz ? 三相电机变频器包括以下部分：

o 具有过流、欠压保护的IPM（智能功率模块） o 母线电流检测电路 o IPM错误信号（VFO）检测 o 母线电压检测电路 ? AC输入整流

? 电气隔离的USB/RS485接口 ? 测速发电机接口

? 正交编码器接口/HALL接口（可选） ? 直流母线过压制动电阻接口

32

基于MC56F82748 DSC的单电阻采样三相交流感应电机的矢量控制设计参考手册, Rev. 0, 10/2014

Freescale Semiconductor

? 用于连接DSC控制子卡的PCI卡槽

? 板载DC-DC电源，+15V，+5V，+3.3V和+3.3VA DSC控制子卡：

? 64脚 LQFP封装的DSC MC56F82748 ? 与功率板连接的PCI 端子 ? JTAG 调试接口

? 板载DC-DC电源， +3.3V，+3.3VA ? 电源指示LED

4.3 硬件概述

图 16所示为电机控制板的硬件框图。

Power line220V ACrectificationDC-BusLocalDC-DCDifferential amplifier circuitDC-Bus currentBrake resistorUSB CommunicationUSB to SCIDSC56F82748Brake circuitIPMMotor

图 16 电机控制板框图

上图中，蓝色的DSC功能块代表DSC控制子卡，是整个电机控制板的核心，使用Freescale DSC数字信号控制器 MC56F82748。

4.3.1 板载辅助电源

直流母线电容器C66/C67存储电能，用于整个系统控制板的电源供给，同时为板载DC-DC辅助电源供电，产生+15V用于MOSFET/IGBT驱动芯片及IPM的供电，+5V用于编码器接口，+3.3V/+3.3VA用于数字模拟控制电路的供电。借助基准电源芯片LM4041，+3.3VA可以产生+1.65VA的偏置电压用于电机电流检测电路。图 17所示为板载辅助电源的结构框图。

基于MC56F82748 DSC的单电阻采样三相交流感应电机的矢量控制设计参考手册, Rev. 0, 10/2014 Freescale Semiconductor

33

3.3V311V DCDC-BUSDC-DC+15V15V DCDC-DC+5V5V DCDC-DC+3.3VFilter3.3VAIPMEncoderDC-DC+1.65V1.65V

图 17 板载辅助电源结构框图

4.3.2 直流母线过压制动保护电路

制动电路用来处理功率板的直流母线过压保护。当母线电压过高时，如果不进行特殊处理，容易损坏电路中的半导体器件甚至储能电容。制动电路包括用于多余电能消耗的功率电阻（需通过接口外接）、用于控制制动电阻通断的IGBT及其驱动电路和控制电路。制动电路可以通过DSC检测直流母线电压进行控制，也可以直接通过硬件检测直流母线电压与参考电平比较进行控制，两种控制模式均可以实现直流母线过压保护。在本设计中，当直流母线电压高于约384V时，制动电路起作用。在本应用中未外接制动电阻。图 18所示为制动电路的结构框图。

DC_Bus+3.3V+15VVoltageDivider Comparator+ Reference MOSFET+ DRIVER BRAKERESISTORMCU_BRAKEGND

图 18 直流母线制动保护电路

4.3.3 三相电机驱动器

三相电机驱动器（IPM）适用于电机的直接驱动，IPM内部包括IGBT逆变桥阵列、IGBT门极驱动器、三路自举电容充电二极管、欠压保护及过流保护电路等。图 19所示为IPM模块及其外围控制信号连接示意图。

34

基于MC56F82748 DSC的单电阻采样三相交流感应电机的矢量控制设计参考手册, Rev. 0, 10/2014

Freescale Semiconductor

CSCRaRb

图 19 IPM及外围控制信号

DC_Bus信号与直流母线连接，为IPM提供电机控制的电能。+15V为IPM提供自身工作的直流电源，为内部驱动器、内部模拟数字电路供电。6路输入信号为DSC的PWM控制信号，基于+3.3V的标准，6路输入信号通过内部驱动器，接入三相IGBT的栅极，6路输入信号及内部相应的6个IGBT可分别独立控制。三相输出接到被控电机的三相端子。相电流及直流母线电流通过精密采样电阻进行采样，如图19中电路拓扑所示。母线采样电阻Rc两端的电压通过Ra, Rb分压后接入IPM的CSC端口，控制IPM的过流保护。当CSC端口电平高于0.5V（母线电流大于等于10A）时，IPM内部控制电路将关闭所有的6个IGBT，并通过VFO（FLT_OUT）端口向DSC发送故障信号。DSC接收到IPM VFO故障信号后，禁止6路PWM控制信号输出，达到系统保护的目的。过流保护电路需确保有最快的响应速度，保证系统的安全运行。

基于MC56F82748 DSC的单电阻采样三相交流感应电机的矢量控制设计参考手册, Rev. 0, 10/2014 Freescale Semiconductor

35

4.3.4 模拟差分放大电路

模拟放大电路实现电流采样电路电压小信号的放大，高精度运算放大器通过+3.3VA进行供电，借助+1.65VA偏置电平，实现双向电流的检测。图 20所示为模拟放大电路示意图。

R5R1IN_negOpAmp1U2AOUTPUT-C1R2IN_posR6+1.65V_REFGNDAR423R3+3.3VA8图 20 模拟差分放大器

输入电阻R1/R2及电容C1构成高频输入滤波器，消除电路中的高频噪声。电阻R5/R6以及R1~R4的值，决定了模拟放大器的放大倍数。模拟放大器的输出通过一个RC滤波电路（靠近DSC放置），接入DSC的ADC输入端口。

4.3.5 SCI与USB 转换接口

Freescale DSC带有SCI控制器，用于系统的在线调试或与外部系统进行串行通信。为了便于与PC通信，电机控制功率板设计了USB端口与PC进行连接，采用Silicon Labs公司的标准USB串口通信转换芯片（能够通过PC的USB端口进行供电），同时借助Analog Devices公司的ADUM2201数字隔离器，实现功率板SCI与PC USB通信转换的电气隔离。

4.4 DSC控制子卡

DSC控制子卡是整个系统控制板的核心，装配Freescale公司64脚 LQFP封装的MC56F82748数字信号控制器 。图 21所示为DSC控制子卡的系统框图。

36

基于MC56F82748 DSC的单电阻采样三相交流感应电机的矢量控制设计参考手册, Rev. 0, 10/2014

Freescale Semiconductor

+4

+3.3V+3.3VA+5 to +30VDC/DC+3.3VINPUTFILTERSANALOGINPUTSCONTROLDSCMC56F82748JTAGSCI/USBPWMOUTPUTSGPIOUSBGNDGNDA

图 21 DSC控制子卡框图

电机控制板采用PCI 64针标准接口实现功率板与DSC控制子卡的电气连接。除了JTAG调试端口，DSC上所有IO均与PCI接口有相互连接。正常工作时，DSC控制子卡由功率板直接供电。当调试、程序烧录或其它独立使用时，为了电气安全，DSC控制子卡也能够通过板载的Buck DC-DC电源独立供电。

板载模拟信号输入滤波器为简易的RC低通滤波器，可以消除DSC ADC采样的部分高频干扰。 DSC输出的PWM信号直接连接IPM/MOSFET驱动芯片，PCI接口引脚也包括了其它的GPIO信号。 在电机控制板中，DSC的SCI通信端口用于FreeMASTER工具的在线调试，可以通过UART USB转换电路，直接连接PC的USB端口，同时也可以连接其他的外部系统；当使用控制板中的USB端口时，不需要额外的电气隔离装置。

基于MC56F82748 DSC的单电阻采样三相交流感应电机的矢量控制设计参考手册, Rev. 0, 10/2014 Freescale Semiconductor

37

5 软件设计

本应用的软件开发环境使用飞思卡尔的集成开发工具CodeWarrior10.5，整个软件是用C 语言实现的，并调用了飞思卡尔的嵌入式软件库（FSLESL）。该软件库包括各种数学运算库、电机控制算法库、观测器库、信号滤波器库等。这些库和对应的文档可以从飞思卡尔网站freescale.com/fslesl直接下载 。想获得更多有关如何在CodeWarrior的工程中使用这些库，请从freescale.com下载参考文档AN4586: Inclusion of DSC Freescale Embedded Software Libraries in CodeWarrior 10.2。 本章主要描述系统的软件设计。首先讨论如何用归一化的定点小数格式来表示控制器中的各个物理量，然后详细介绍如转速和电流采样等特殊的问题，最后简单介绍控制软件的实现。

5.1 定点小数表示

应用程序中涉及到的电压、电流、角度和速度等物理量都是用定点小数表示的。飞思卡尔的数字信号控制器的硬件支持归一化定点小数运算。程序和算法库通过将物理量表示成归一化小数形式的定点数，充分利用DSC硬件指令特点提高计算速度。

对于一个N比特位的有符号数字，其归一化的定点小数表示形式为1.[N-1]。其中最高一位是符号位，剩余N-1位是小数位。它表示的有符号小数值（SF）的范围为：

–1.0 ≤ SF ≤ + 1.0 – 2 –[N – 1]

对于字型和长字型的变量，其可以表示的最小负数为-1，内部表示格式分别为0x8000和0x80000000。字型变量可以表示的最大正值是1.0 – 2-15，对应的内部格式为0x7FFF；长字型变量可以表示的最大正值是1.0 – 2-31，对应的内部格式为0x7FFFFFFF。

5.2 应用概述

应用软件就是实时运行的中断驱动，在本文档的电机控制软件进程中有五个中断服务进程（如 图 24所示）。

PIT中断服务程序产生一个1 ms一次的计时器中断，用来执行慢速速度控制环。

QTimer中断由测速发电机信号经ACMP比较后的方波信号的上升沿和下降沿触发，用于计算电机实际转速。

PWM 重载中断服务程序每两个PWM周期执行一次重载中断（200us），用来执行快速电流环控制。 ADC EOS中断服务程序在一个PWM周期内执行三个重要的母线电流采样值的读取。

PWM Fault中断服务程序在过流故障情况发生时处理过流故障。只有当故障发生时，此中断才会被触发。

系统主循环在mian函数中执行，用来处理一些与时序关系不大的任务，例如状态机和FreeMASTER轮询函数。

38

基于MC56F82748 DSC的单电阻采样三相交流感应电机的矢量控制设计参考手册, Rev. 0, 10/2014

Freescale Semiconductor

图 22 算法架构

5.2.1 ADC EOS中断和PWM重载中断

快速电流控制环在PWM重载中断中执行，通过PWM_reload_sync信号进行同步。在PWM重载中断执行之前，三个母线电流的采样值在ADC EOS中断中被读取出来。ADC采样结束后，PWM重载中断被使能和执行。

PWM模块配置为中心对称模式，开关频率设定为10 KHz，总线时钟频率50 MHz（PWM周期100 us），每2个PWM周期产生一个PWM_reload_sync信号（200 us），ADC触发信号与PWM SUBMODULE相关联，PWM Sub_Module3的0、2、4通道的value值被用做触发ADC母线电流采样时刻点。最后一次ADC采样结束后进入ADC EOS中断，ADC EOS中断完成后，执行PWM重载中断。ADC母线电流采样和PWM重载中断时序图如图 25所示：

1 输出PWM重载同步信号，此时PWM周期寄存器的值由MOD值变为INIT值。 2 PWM重载同步信号触发PWM Sub_Module3， PWM Sub_Module3计时器开始计时。 3 PWM Sub_Module3计数器计时到达PWM Sub_Module3的0、2、4通道值时，触发ADC采样转换。 4 三次ADC采样转换结束后ADC EOS中断标志位置1，进入ADC EOS中断，读取ADC结果寄存器的值。 5 禁止ADC EOS中断，使能PWM重载中断。

6 进入PWM重载中断，运行三相电流重构和快速电流环控制，最后禁止PWM重载中断，使能ADC EOS中断。

基于MC56F82748 DSC的单电阻采样三相交流感应电机的矢量控制设计参考手册, Rev. 0, 10/2014 Freescale Semiconductor

39

PWM Period 100 usPWM Modulo CounterPWMA Sub-Module3 CH4 TriggerPWMA Sub-Module3 CH2 TriggerPWMA Sub-Module3 CH0 TriggerPWMA Sub-Module3 CounterADC ConversionADC End-of-Scan ISRPWM Reload ISR 图 23 ADC EOS中断和PWM重载中断时序图 5.2.2 三相电流重构

矢量控制算法需要采样电机的三相电流，一种标准的方案是通过电流互感器或者采样电阻直接对相电流进行采样，本方案为了降低设计的成本，电机的三相电流通过一个母线电流采样电阻来采样并重构，如图 26所示。

图 24 直流母线电流采样电阻

采样电压经带1.65V电压偏置的高精度运算放大器处理后，电流采样转换电压范围为+/-1.65V，对应电流范围+/-4A。见图 27。

40

基于MC56F82748 DSC的单电阻采样三相交流感应电机的矢量控制设计参考手册, Rev. 0, 10/2014

Freescale Semiconductor

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/2jfg.html