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Microchip PMSM马达控制经验谈
 

【作者: 葛育中】2018年01月16日 星期二

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目前Microchip 的3.3V 70MIPS dsPIC33EP MC 系列是专门针对motor control所设计的MCU/DSP。以三相马达控制为例,从基本的BLDC 六步方波到Sensorless FOC (PMSM永磁同步 or AC感应)皆可轻松应付。若强调车用及安全功能,5V 且具有ECC (error codes correction)的dsPIC33EV系列则为首选。而PIC32MK MC 系列及SAM E/S7x 300MHz Cortex M7系列则非常适合高阶伺服马达控制应用,如高速高精度的工具机台。以下介绍会以较常见的三相永磁马达为主。


以控制法则来分,有BLDC六步方波驱动,可以是开??路或是速度闭环或速度及电流闭环控制。若要输出弦波有Sensorless FOC (Microchip Application notes AN1078, AN1292) 或开??路弦波控制(AN1017)。若要输出弦波电流,且马达启动时就有高负载,sensor-less FOC就比较不适合。此情形就必须在马达加上Hall IC 或编码器侦测马达转子位置,以便在马达堵转时也可输出高扭力,例如e-bike, e-scooter等。一般来说都会使用Hall IC。但根据经验,我们常遇到弦波控制时,Hall IC输出容易受马达动力线或PWM干扰,尤其是Hall 信号线常与motor UVW动力线做成同一条线时此情形更为常见,如图(一)红色圈所示,其中的noise会导致MCU多产生一次以上之Capture中断,如果是以中断读取Hall 信号来计算速度,此情况便会造成速度计算突波。



图(一) PWM noise on Hall Signal


由於是用Hall 信号来预估SVPWM所需角度,速度计算的突波会使角度产生严重错误,使得FOC在做d-q电流控制时造成错误,又造成了马达相电流突波而使马达抖动。根据实验结果,利用Microchip dsPICR DSC在PWM与A/D同步触发下读取Hall 输入信号可大幅避免此问题产生并利用MPLABR X IDE的??件X2C Scope来检视是否有Hall信号读取错误。图二显示马达角度为一连续变化,而图三为Hall信号变化,都显示并无角度错误产生。图四为马达相电流波形。至於以Hall IC当作转子位置侦测的 FOC执行时间,Torque control only 为11.2uS, 若再加上speed control loop则共为14uS。 以20KHz PWM的切换频率来说,分别只占了22.4%及28%的执行频宽以(基於70MIPS执行速度)。所以dsPIC还剩馀非常充裕的时间执行其他通讯及house keeping 的工作。


最後一提的是,Microchip Harmony V2.03b 以上已提供sensorless FOC project 可於32-bit 120MIPS PIC32MK1024MCF100 + MCLV-2 demo borad上执行。该project提供完整的source codes包含FOC核心,如d-q轴转换,PID,SVPWM以及PLL 转子位置估测器等,并具备双精准度浮点运算器,可以执行马达控制的复杂数学运算,减少量化误差。例如位置控制应用中常会用来抑制震动的数位滤波器,S curve产生函数以及sensorless FOC里的位置估测器,降低许多定点DSP各个变量normalization的复杂度。



图(二) 马达转子角度



图(三) Hall 信号读取



图(四) Hall FOC 马达相电流


更进一步的电机驱动与支援资讯如下,欢迎下载、阅读,并与我们经验丰富的设计团队联系。


  • Motor Control and Drive Design Center

  • Application notes

  • http://www.microchip.com/design-centers/motor-control-and-drive


    作者 葛育中 Microchip应用工程师


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