bldc 原理 方波控制_【百问百答】ST 电机控制实战问答合辑 | 连载之一
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電堂?wx18257eb0e8c82435.h5.xiaoe-tech.com電堂?wx18257eb0e8c82435.h5.xiaoe-tech.com本次實戰問答只討論同步電機,不對步進電機做特別的討論,希望有助于大家進行電機開發或者是電機應用。
Q1:STM32關于FOC控制或者在永磁同步電機上有哪些可用的庫和工具,有沒有關于弱磁
MTPV等算法的文檔或者學習工具,或者是開發套件?
A1:今年ST推出FOCSDK 5.2版本,可以在ST官網上直接下載這個庫。關于算法,請參考培
訓文檔(www.stmcu.com.cn “設計資源”中查找),原理請看UM1052。請大家充分
利用stmcu.com.cn,可自助解決MCU及相關應用難點,網站上的資源包括培訓課件,
實戰經驗等。
Q2:在電機控制中,F407系列MCU有沒有方法可以在線修改參數?不用每次都編譯,不然調
PI很麻煩。
A2:在線修改可以使用RAM方式修改,如果您用的是自己程序,可以考慮仿真器或串口方式
修改定義好的變量數據,當調試好參數后回寫到Flash中固化參數;如果使用
Workbench,可以在workbench調試界面上上修改相應參數,同樣這個是修改RAM,
調試好后再回寫入Flash中。這樣就不需要每次都進行編譯,浪費很多時間在編譯上面。
Q3:伺服電機的分類,以及有主流的控制方法及使用方法?
A3:伺服電機大體可分為直流伺服電機和交流伺服電機。控制方法如果采用矢量控制,當前
主要有DTC控制和FOC控制。
Q4:自主搭建電機驅動,軟硬件如何設置?F030系列如何做FOC?
A4:實際上您自主搭建的電機驅動的硬件,可以與MCSDK workbench匹配使用,注意參數
配置。Workbench就是為大家提供配置的便利,包括板子參數、電機參數、控制策略等
等,都可以做直接配置。F030是支持FOC的。
Q5:電機的參數(電感,電阻)對位置估算的結果影響多大?為什么我用錯誤的電感和電阻
值電機也能轉,而且位置輸出沒發現異常?
A5:電機的參數對位置估算的結果是有影響的,即會影響無傳感觀測器參數,也會影響電流
環PID的設定,還很可能影響電流穩定度等;當然在觀測技術是上有一定閾值調整。有些
參數稍微調整也可以運行,但是最好能夠使用正確的電感電阻值。
Q6:永磁同步和BLDC應用領域的區別?BLDC如何正確的檢測換向點?BLDC與PMSM的轉
矩脈動產生的原因分別是什么?如何減小這一現象對精度和穩定性的影響呢?如何計算
BLDC與PMSM的效率差別呢?
A6:永磁同步和BLDC可以看成是同一種電機,只是叫法不同而已。如果BLDC矢量控制無過
零點檢測,六步方波控制方法需要檢測過零點。如果是FOC,可以利用觀測器的方式來
觀測出你現在的一個轉阻位置。
這兩個電機實際相同,只是電機工藝做法差異所導致的,轉矩脈動和控制方法有關。
Q7:開環運行到閉環運行需要哪些步驟,有哪些注意事項?
A7:大致步驟是定位,開環,閉環;需要注意設定開環速度以及驅動電流,還有設定最小切
入速度,一般在額定速度的10%以上。
Q8:這個電機庫支持高頻注入算法嗎?效果如何?
A8:目前FOC 5.0不支持高頻注入算法,以前的4.3版本是支持的。后續這個算法會加進來。
Q9:如何使用開源或免費的編譯器進行相關設計?有無相關例程?
A9:參考培訓文檔,可以在http://www.stmcu.com.cn上下載。參考例程在Cube庫和標
準庫里都有。
Q10:凸極BLDC想要從任意位置平穩啟動無反轉,有什么好的策略可以使用?高頻注入利用
凸極性,對于隱極BLDC,有沒有好的評估轉子位置的方案,希望啟動無抖動無反轉噪
音低。
A10:這個問題涉及當前最熱門且研究最多的無傳感的部分。無傳感策略,ST有兩種方式:一
是觀測器的方式,由開環轉閉環,啟動時會有一些抖動,或者是一些反轉,因為要做一
次定位;如果無反轉,是在靜止的時候,抓到轉子的位置,采用無傳感方式,ST采用高
頻注入加觀測器方式來實現。高頻注入,目前市場有非常多開發好的算法。各有特長,
好的算法要靠時間或者是精力來實現,基本可以實現無抖動,無反轉。
Q11:5.0的庫相對于之前的庫新增哪些特性?二次開發需要考慮哪些設想?
A11:5.0庫是針對前一代有結構上的變化,ST的開發力度歷來是非常大的,如果客戶二次開
發,可以在它的庫基礎上,非常便利地實現自己的一些想法,可以進行一些庫的修改代
碼。也可以直接用接口代碼,調用API的方式,針對簡單應用足夠了。
Q12:BLDC最低電壓能做到幾伏,低電壓的轉速可以做的很高嗎?BLDC用在吸塵器上是要做
恒功率還是其他?
A12:BLDC有些可以低到5V,當然最低電壓需要和電機廠商聯系,轉速部分與電機本體相
關;恒轉速和恒功率都可以實現。
Q13:請問交軸直軸怎么理解,同樣是電流產生的力矩和磁通怎么實現分別控制的?被控量只
有一個電流,是怎么實現力矩,磁通解耦合控制的?
A13:直軸可理解為永磁體磁場方向。交軸垂直于永磁體磁場方向的軸,即垂直于直軸,它是
一個動軸。直軸電流是用于疊合磁場,交軸電流相當于一個旋轉量,當旋轉量持續為90
度時,這時候力是最大的。電流解耦合后有兩個量,id,iq,分別控制這兩個量
Q14:ST是否有方波切正弦的啟動方案,可直接重載啟動?
A14:已有客戶在ST的電機庫上實現。方波切正弦,切起來應該問題不是很大,這是一個通用
方式。
Q15:在FOC控制方面,STM32有哪些庫與工具讓初學者快速入門,STM32對于浮點運算怎
么處理的?
A15:F0、F1產品系列,即M0、M3核上面沒有這種浮點處理單元。F3、F4這類高端MCU的
平臺上,有浮點算法。所以可以直接在F3、F4等高端MCU上直接使用浮點運算。在電
機庫里你會發現,除高頻注入以外的基礎控制算法,都是以定點的方式實現。所以可以
兼容從F0到F7、H7等產品系列。
Q16:電機電流如何判定是否堵轉?
A16:最直接的方法就是電機沒有速度了,或者低速震蕩、并且電流很大的情況下,就判斷為
堵轉。在ST的FOC電機庫里,有兩種方式來提供這個判斷:一是所謂的速度(時速),
沒有任何速度的時候,就判斷為堵轉;二是在無傳感方面,如果正弦震蕩,可檢查是否
有反電動勢,不轉的時候,反電動勢就沒有了,這樣可以從另外一個角度檢測堵轉。
Q17:加位置環應該怎么來添加?項目開發需要三個環同時工作,位置環電流環和速度環,有
編碼器,定位剛性能保證嗎?
A17:通常在做過程震蕩,一般是兩個環路比較好控制,比如說的力矩環+速度環,或者力矩
環+位置環,這種方式比較好。如果三環在一起,會有很多變量是糾結在一起,不方便
開發。
Q18:相對于傳統DSP、FPGA等手段,STM32在控制電機方面的優勢是什么?
A18:從字面上理解,傳統的DSP就是數字信號處理,FPGA是現場可編程門陣列。FPGA非常
好,基本可實現所有的數字控制,但其開發有一定門檻,在電路設計不夠好時,可能會
存在一些風險。應該說,有些SOC是在FPGA的仿真驗證之后,才重新設計實現的。傳
統DSP的設計初衷是為了數字運算,具有較快的數字運算或數據處理性能。當然,現在
DSP和MCU實際上有些相近,沒有特別分明的界限,它既可做數據處理也可實現一些
控制功能。但性價比是客戶考量點,有賴于客戶的評估。當前ST的部分芯片性能已經非
常高了,比如低端伺服已經不用FPGA,換成高性能ST芯片;隨著芯片工藝提高,干擾
性對客戶硬件處理要求也提高。
Q19:BLDC啟動過程怎么調節?
A19:無傳感的是開環啟動,定位后V/F啟動,電流閉環,速度開環整個一個過程。
Q20:弱磁原理是什么?
A20:簡單說就是Id需要被控制,通常情況是ID等于0的控制。現在要作為一個ID控制,進行
一些弱磁的配比,可根據電壓方程來做。請訪問官網http://stmcu.com.cn上的培訓文檔,有
各種公式可以算出來,較為詳細。
Q21:STM32應用于電機控制器,除了開發流程更快一些之外,還有其他的優勢嗎?成本?
維護?二次開發?
A21:STM32芯片性價比非常高,資源非常豐富,產品的生態系統非常強大。用戶可以在很
多途徑上得到ST的特別多的生態系統支持,不僅僅是芯片文檔,還有多種路徑的技術支
持幫助用戶解決問題。STM32生態系統非常到位,這一點是眾所周知的。
Q22:有霍爾無刷電機換相時脈動,導致噪音,如何有效去除?STM32單片機6路PWM和
IR2136連接,中間需要加小電阻嗎?
A22:如果MCU直接接驅動橋,需要加一個小電阻,一是防止干擾,二來保護芯片。如果采
用方波控制,即有傳感的方式,需要進行電流補償;如果是FOC,需要做電角度修正,
因為FOC在霍爾信號這個邊緣要做一次同步,同步的準確度與否或者是這個突然同步的
過程中會產生脈動,這是要做一定的補償的。
Q23:我發現很多書上關于電磁轉矩的解釋不合理,能基于原理實際分析一下電磁轉矩產生的
原理嗎?
A23:實際就是內外磁場(定子、轉子)的叉乘帶來電磁轉矩。當兩路的磁場方向不一樣時,
之間的有一定夾角,就會產生一個轉矩。
Q24:請講解弱磁控制、前饋控制的代碼函數講解和應用,不同內核芯片的代碼移植?
A24:電機算法實際上獨立于芯片而存在的,如果你熟悉一種算法,可以用到很多的MCU或
者芯片上去。弱磁控制實際上根據電壓方程來做的;前饋控制是兩軸之間,電可轉磁,
磁可以轉電,兩者之間的耦合性帶來了前饋控制。
Q25:如何解決電機對電路的干擾問題?
A25:電機的硬件電路設計有講究;轉速快速的話可以考慮加入PID中的微分量,同時注意反
充電保護。電機控制實際上是軟硬件的結合。
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