摘  要： 采用以Cortex-M4為內(nèi)核的STM32F407作為主控制器，根據(jù)空間矢量脈寬調(diào)制原理，控制IPM模塊給電機(jī)電樞繞組施加不同方向的空間電壓矢量。利用主控制器的12位A/D采樣通道獲取定子A、B相電流值從而計(jì)算出直軸電流id。結(jié)合電永磁轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)特性以及定子電感的飽和效應(yīng)，根據(jù)id的變化曲線判斷出電機(jī)轉(zhuǎn)子的電角度位置。

　　關(guān)鍵詞： 直軸電流；空間矢量脈寬調(diào)制；A/D采樣；飽和效應(yīng)

0 引言

　　永磁同步電機(jī)初始位置的估計(jì)關(guān)系到電機(jī)是否能成功啟動(dòng)，以及能否以最大轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)的問題，歷來是工程技術(shù)界研究的難點(diǎn)與重點(diǎn)問題之一。

　　參考文獻(xiàn)[1]基于旋轉(zhuǎn)高頻信號(hào)的注入，利用移相和傅式算法從響應(yīng)電流中獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置的信息，算法較為復(fù)雜。參考文獻(xiàn)[2]利用電機(jī)的凸極效應(yīng)和磁路飽和特性，通過對(duì)高頻電流峰值發(fā)生的時(shí)刻進(jìn)行檢測(cè)，判斷電機(jī)轉(zhuǎn)子當(dāng)前位置，此方法對(duì)電流采集的準(zhǔn)確性要求較高，魯棒性差。利用定子電感的飽和效應(yīng)，輸入不同的空間電壓矢量獲取轉(zhuǎn)子的初始位置是最常見的方法之一，電壓矢量判斷法的精確度較高，且算法簡(jiǎn)潔易懂[3]。

　　本文采用STM32F407為主控制器，充分利用其定時(shí)器的互補(bǔ)輸出功能以及12位的A/D采樣模塊，結(jié)合永磁同步電機(jī)特性分析電機(jī)轉(zhuǎn)子所處位置。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　主控制器采用Cortex-M4內(nèi)核的STM32F407，控制器內(nèi)部共有14個(gè)定時(shí)器，其中TIM1以及TIM8為16位的高級(jí)控制定時(shí)器。TIM1_CH1、TIM1_CH2、TIM_CH3以及TIM1_CH1N、TIM1_CH2N、TIM_CH3N為TIM1的輸出引腳及互補(bǔ)輸出引腳。根據(jù)空間矢量脈寬調(diào)制原理（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM），可有效降低晶體管的開關(guān)次數(shù)，配置TIM1的6個(gè)通道分別輸出不同占空比的PWM波驅(qū)動(dòng)IPM模塊，為電機(jī)角度學(xué)習(xí)提供所需的空間電壓矢量[4]。電機(jī)定子三相繞組中的A、B相電流通過電流傳感器后，送至STM32F407的12位A/D采樣模塊。根據(jù)Clark以及Park變換，由采樣獲取的電流值計(jì)算出電機(jī)電樞繞組的直軸電流id。結(jié)合定子電感的飽和效應(yīng)，根據(jù)id的變化曲線即可判斷電機(jī)轉(zhuǎn)子當(dāng)前位置。永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置學(xué)習(xí)的硬件處理框圖如圖1所示。

　　1.1 逆變電路的設(shè)計(jì)

　　采用310 V直流電壓通過逆變電路生成相位相差120°的三相交流電驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)運(yùn)行。主控制器STM32F407的TIM1輸出互補(bǔ)型PWM波，控制逆變電路的IPM模塊PM75RL1A120，其內(nèi)部主要由7個(gè)IGBT晶體管組成，與永磁同步電機(jī)組成的逆變電路可等效為圖2所示電路。

　　圖2中Udc即為直流電壓310 V，逆變電路共有8種工作狀態(tài)，分別為：111、110、101、100、011、010、001、000。其中，1表示逆變電路上橋臂導(dǎo)通下橋臂關(guān)閉，0則相反，同理可得其他工作狀態(tài)時(shí)晶體管的通斷情況。主控制器根據(jù)SVPWM原理輸出的互補(bǔ)型PWM控制晶體管的工作狀態(tài)，最終在電機(jī)定子三相繞組上產(chǎn)生所需的空間電壓矢量。

　　IPM模塊驅(qū)動(dòng)電路選用高速、高共模比的IPM接口專用光耦A(yù)4504。A4504的瞬時(shí)共模為15 kV/?滋s，內(nèi)部集成高靈敏度光傳感器，極短的寄生延時(shí)適合于IPM使用，為IPM專用的電氣隔離芯片。A4504與IPM模塊連接圖如圖3所示。

　　UP信號(hào)經(jīng)過A4504電氣隔離生成UP_IPM信號(hào)控制IPM上橋臂IGBT晶體管的通斷。當(dāng)UP信號(hào)為0時(shí)，UP_IPM為0，則上橋臂關(guān)閉，反之上橋臂導(dǎo)通，其他橋臂以此類推。雖然A4504的寄生延時(shí)很短，但在配置TIM1的互補(bǔ)型輸出PWM的死區(qū)時(shí)間時(shí)仍須將其考慮其中，綜合A4504以及PM75RL1A120的使用手冊(cè)，配置死區(qū)時(shí)間為3 μs。

　　1.2 電流采樣電路設(shè)計(jì)

　　根據(jù)定子電感的飽和效應(yīng)測(cè)量永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，在輸入電壓一定時(shí)，電流值是反映電感值大小至關(guān)重要的參數(shù)，所以電流值的測(cè)量直接影響電感值判斷的準(zhǔn)確性。STM32F407芯片擁有多達(dá)16個(gè)A/D采樣通道，采樣精度高達(dá)12位，采樣速率可以達(dá)到2.4 MS/s，采樣通道分為規(guī)則通道和注入通道。實(shí)驗(yàn)采用A/D注入轉(zhuǎn)換通道分別采樣A、B相電流。

　　永磁同步電機(jī)的工作電流達(dá)到安培級(jí)，這樣的大電流不適合直接測(cè)量，同時(shí)為降低前后級(jí)電路的相互影響，采用電流互感器將原始信號(hào)衰減為0.005倍后，再將信號(hào)傳輸?shù)胶蠹?jí)測(cè)量電路。主控制器STM32F407的A/D采樣通道為電壓采樣，需先將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，A/D采樣的有效范圍為0~Vref。由于iA、iB的方向不是唯一的，因此通過圖4所示的電壓偏置電路將電流值轉(zhuǎn)換成電壓值并提升到0~Vref的范圍，Vref為AD采樣的參考電壓。

2 電壓空間矢量實(shí)施策略

　　電機(jī)氣隙內(nèi)“小凸極”的形成與永磁轉(zhuǎn)子磁極具有對(duì)應(yīng)的關(guān)系，因此根據(jù)凸極效應(yīng)可以估計(jì)出永磁轉(zhuǎn)子的位置。

　　圖5為永磁同步電機(jī)的解耦模型，其中A、B、C為定子三相繞組的軸線，為相互垂直的靜止定子兩相坐標(biāo)系，軸與A軸重合。d軸和q軸為相互垂直的動(dòng)態(tài)兩相坐標(biāo)系，d軸與轉(zhuǎn)子軸線重合。在d-q坐標(biāo)系下電機(jī)模型為[5]：

　　其中，ud、uq分別為d、q軸電壓矢量：Rs為定子繞組電阻：id、iq分別為直交軸電流；p為微分算子；Ld、Lq分別為直交軸電感，Ld=Lq；f為轉(zhuǎn)子永磁體磁極產(chǎn)生的磁鏈，為常數(shù)。

　　當(dāng)磁路不飽和時(shí)，Ld為常數(shù)；當(dāng)磁鏈增加到一定程度時(shí)，磁路飽和，會(huì)導(dǎo)致Ld飽和，直軸電感隨電流增大而減小[6]。即當(dāng)施加大小相同、方向不同的空間電壓矢量時(shí)，若ud足夠大，結(jié)合圖5和式（3）、（4），與轉(zhuǎn)子軸線方向重合的磁路最先出現(xiàn)飽和，此方向的Ld最小，而對(duì)應(yīng)的id則達(dá)到最大。

　　空間電壓矢量判斷法逐步提高角度判斷精度，輸入對(duì)應(yīng)的空間電壓矢量。首先以30°為判斷精度輸入12個(gè)空間電壓矢量。電壓矢量施加的順序?yàn)?~12，如圖6所示。注意，在每?jī)蓚€(gè)電壓矢量施加的間隙6個(gè)開光管要關(guān)閉足夠長(zhǎng)的時(shí)間，以保證繞組電流充分衰減到零。

　　在此基礎(chǔ)上逐步提高判斷精度。如第一步所學(xué)角度，以15°為判斷精度施加順序如圖7所示的電壓矢量，并以此類推，直至達(dá)到所需的角度判斷精度[3]。

　　2.1 軟件設(shè)計(jì)流程

　　永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置估計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一在于空間電壓矢量的生成。以主控制器STM32F407的庫(kù)函數(shù)為基礎(chǔ)，配置TIM1的輸出PWM波為互補(bǔ)中央對(duì)齊輸出型。另外，配置TIM1的預(yù)分頻器，控制輸出PWM波的周期為8 kHz。根據(jù)SVPWM原理，配置TIM1的CCR1、CCR2、CCR3（Capture/Compare Register，CCR）以控制輸出PWM波的占空比。

　　獲取永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是對(duì)反饋電流信息的處理。配置STM32F407主控制芯片的12位A/D采樣通道為注入轉(zhuǎn)換通道。采樣獲取A、B相電流值，根據(jù)Clark及Park變換算出id。通常，以id的大小作為位置判斷依據(jù)，這種處理方式對(duì)電流采樣的要求比較高。

　　結(jié)合式（1）、（3），可得：

　　ud=Rsid+pLdid（5）

　　根據(jù)慣性環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)特征可知，給定ud信號(hào)，此時(shí)的電流響應(yīng)為：

　　id為一指數(shù)曲線，Ld越大，id趨于穩(wěn)定的時(shí)間越早，則可以id的變化率作為電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的判斷標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際測(cè)量時(shí)，在同一個(gè)電壓矢量的作用階段，多次采樣id，以其后半段值的變化率作為最終id。根據(jù)當(dāng)前的id值以及軟件存儲(chǔ)的信息更新電機(jī)位置值及最大電流值。這樣的處理方式可有效提高電子轉(zhuǎn)子位置判斷的準(zhǔn)確性。電流采集處理以及轉(zhuǎn)子位置更新流程如圖8所示。

　　電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的準(zhǔn)確度取決于施加的空間電壓矢量的最終精度，空間電壓矢量施加步驟可根據(jù)圖6及圖7的步驟進(jìn)行。對(duì)應(yīng)id變化率最大的空間電壓矢量的角度值即為電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置估計(jì)的軟件流程如圖9所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　采用16對(duì)級(jí)永磁同步電機(jī)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)子使其處于電角度為45°位置。記錄步驟1各個(gè)電壓矢量所對(duì)應(yīng)的id，其變化趨勢(shì)如圖10所示。

　　由圖10可知，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子位于電角度為45°的位置時(shí)，此時(shí)空間電壓矢量3和矢量5所對(duì)應(yīng)的電流值id最大，根據(jù)電壓矢量判斷法在第一步可以準(zhǔn)確地判斷出電機(jī)轉(zhuǎn)子的大概位置在30°~60°之間。為提高角度判斷的精確度，可不斷提高角度學(xué)習(xí)精度。本次試驗(yàn)最終達(dá)到的角度判斷精度達(dá)到3.5°。實(shí)驗(yàn)將電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)至不同的位置，利用空間電壓矢量判斷轉(zhuǎn)子位置結(jié)果如表1所示。

　　由表1可以看出，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子處于不同的位置時(shí)，利用空間電壓矢量判斷法得到的轉(zhuǎn)子電角度位置的誤差均在10°以內(nèi)，這樣的學(xué)習(xí)誤差對(duì)于工程應(yīng)用是一個(gè)合理的范圍。由此可見，空間電壓矢量判斷法可以有效地判斷出電機(jī)轉(zhuǎn)子當(dāng)前所處位置。

4 結(jié)論

　　結(jié)合外圍硬件電路，STM32F407配置的TIM1可以方便、有效地完成空間電壓矢量的輸出，12位A/D采樣可以準(zhǔn)確地將電流信號(hào)反饋給主控制器，適用于電機(jī)控制領(lǐng)域。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用空間電壓適量判斷法，根據(jù)直軸電流id的變化曲線，利用定子電感的飽和效應(yīng)判斷永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，算法簡(jiǎn)潔，精度較高。

　　參考文獻(xiàn)

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