無感FOC中電機參數設定對電機輸出效果影響研究

劉志鵬，張安東

（貴州航天林泉電機有限公司蘇州分公司，江蘇 蘇州 215000）

永磁同步電機矢量控制是一種使用正弦信號驅動電機，使電機平穩高效運行的電機控制方法[1]。在永磁同步電機控制過程中，轉子磁場與定子感應電流產生的磁場需要存在穩定的相差角度，確保電機產生穩定轉矩[2]，并根據轉子位置準確控制定子電流。隨著主控芯片算力的逐步提高，噪音低、工作效率高的FOC日漸成為主流電機控制方式。

FOC控制精度很大程度上取決于定子的位置檢測精度[3]，傳統的獲取轉子位置的方法是通過旋轉編碼器、光電編碼器以及霍爾傳感器等位置傳感器獲取轉子位置[4]。為減少位置檢測成本，無位置傳感器控制技術得到了發展。無位置傳感控制技術通過檢驗電流、電壓參數，與結合電機自身參數，對轉子位置進行實時估算[5-6]。

由于電機自身參數對轉子角度估算結果影響較大，本文以電機自身參數為研究對象，以無感FOC算法為控制策略，研究無感FOC中電機參數設定對電機輸出效果的影響。

1 電機控制器平臺搭建

本文電機控制器由硬件平臺與軟件控制系統兩部分組成。硬件平臺包括電源模塊、主控芯片、驅動芯片、逆變電路、電流檢驗電阻以及電流采樣電路。硬件平臺整體結構如圖1所示。

圖1 硬件平臺整體結構示意圖

本文控制器主控芯片采用microchip公司的16位單片機DSPIC33E202芯片，以12 MHz的外部晶振作為時鐘源，主頻80 MHz，擁有2個ADC讀取寄存器，6通道PWM專用模塊。

根據單片機驅動能力較弱的特點，控制器添加驅動芯片用于提高單片機的PWM信號驅動能力，以確保逆變電路有效工作。

為確保電機高效運行，控制器以三對六個MOSFEET組成逆變電路，同時使用電阻對A、B相電流進行采樣，電流經過采樣電路放大處理后，輸入單片機ADC讀取引腳。

2 電機整體控制策略

本文整體控制策略采用FOC控制策略，控制程序通過檢驗、解析、輸出驅動信號實現電機功能，為確保響應速度，控制程序主要集中于各中斷函數。

本文控制器采用FOC控制算法，驅動方式采用傳統的三段式驅動方式，即強拖至固定角度、電流環閉環運行、電流環速度環閉環運行。采用恒轉矩啟動方式，該方式的好處在于啟動后運行平穩，對于突加負載魯棒性較好。整體控制程序原理圖如圖2所示。

圖2 控制器整體控制程序原理圖

FOC是利用坐標轉換的方式，對永磁同步電機的相電流進行解耦分析，由于電機三相電流會隨時間變換，單純的直接使用三相電流數值作為反饋值所需主控芯片算力較大，因此將三相相電流轉化為勵磁電路和負載電流，從而獲得較好的動態特性。

控制器控制方案采用電機相電流作為反饋值，采樣A、B兩相電流，根據IA+IB+IC=0，得出C相電流數值。

首先將采集的相電流進行Clark變換，轉化為定子直角坐標，通過Park變換轉換為轉子直角坐標，使用PID控制器對電流、速度進行閉環處理，經過反Park變換結合滑膜觀測器得出角度、速度，使用SVPWM輸出至逆變器實現電機驅動控制。

3 試驗規劃與試驗結果分析

本文的目的是研究無感FOC電機參數設定對電機輸出效果的影響程度，根據電機模型公式，影響轉子估算角度的主要參數分別為G增益以及F增益，本節以上兩參數為試驗參數，進行試驗規劃與試驗結果探究。

3.1 試驗設計規劃

試驗設備：30 V、10 A的穩壓電源一臺，永磁同步電機一臺，控制器一臺，測功機一臺。

具體試驗方法：通過更改控制程序內G增益與F增益的數值，在電機進入速度閉環的狀態時對轉速、母線電流進行測量，分析測量結果并根據分析結果得出兩個增益對電機作用效果的影響程度。

試驗分為兩個階段，分別對G增益與F增益兩因素進行參數選取試驗，完成選取試驗后分別對兩因素進行3個水平因子選取，通過使用軟件進行分析，將所獲試驗參數組成兩因素三水平的正交試驗，通過分析回歸方程確定兩因素是否對電機輸出效果產生影響，并確定各因素對電機效果的影響程度。

3.2 參數選取試驗

根據本文測試電機本身的具體參數，確定該電機F增益真實值為0.2，G增益真實數值為0.4（兩增益數值為Q15格式），參數選取試驗分別以兩參數真實數值為固定值，將電流轉換比為判定數值依據，選取兩參數最優的具體數值，其中電流轉換比計算方式為：

其中：ρ為電流轉換比，rpm/A；I為電流，A；n為轉速，rpm。

首先對G增益進行分參數選取試驗，以0.1遞進，對數值0.1-1.0的G增益進行試驗，試驗結果見表1。

表1 G增益參數選取試驗結果

對F增益進行參數選取，以0.1遞進，對數值0.1-1.0的F增益進行試驗，試驗結果見表2。

表2 F增益參數選取試驗結果

根據試驗結果，確定選取G增益因素的水平因子為0.1、0.4、0.5，確定選取F增益因素的水平因子為0.1、0.2、0.8，確定各因素水平因子后，進行下一步正交試驗，如圖3所示。

圖3 試驗現場圖

3.3 正交試驗與試驗結果分析

根據參數選取試驗的試驗結果，設計正交兩因素三水平試驗，正交試驗結果見表3。

表3 正交試驗結果

將試驗結果經minitab（試用版）分析，得出回歸方程為：

其中x1為G增益，x2為F增益。方差分析結果見表4。

表4 方差分析結果

選取置信區間α為0.1，根據分析結果可知，回歸方程可信程度高，G增益與F增益均對電機輸出效果影響程度明顯，其中G增益較F增益對電機輸出效果影響程度更大，且兩者交互作用明顯。

4 結論

本文以FOC控制算法為基礎，探究無感FOC控制算法中電機參數設定對電機輸出效果的影響程度，通過電機模型確定電機參數主要體現為G、F兩個增益，參數選取試驗對比選取兩參數水平數值，通過正交試驗結果，分析得出兩參數均對電機輸出效果有影響，并且兩參數交互作用明顯的試驗結論。