基于滑模观测器的无传感器矢量控制技术

　　永磁同步电动机（PMSM）因其体积小、重量轻、功率密度高等优点而广泛应用于航空、航天、工业等领域。在PMSM驱动系统中， 无位置传感器空间矢量控制技术是一种成本低、可靠性好、维护简单的控制策略，避免了安装传感器（如旋转变压器、编码盘等）带来的系统体积重量增大、维护难等问题，并可适用于一些特殊场合，如空调压缩机等。PMSM无位置传感器空间矢量控制技术的难点在于转子位置的估算，近年来许多学者对此进行了深入的研究，提出了很多方法，如反电动势过零检测、高频注入法、卡尔曼滤波、模型参考自适应法、各种观测器法等。在这些方法中，滑模观测器由于其鲁棒性强、对系统参数变化及外界扰动不敏感、易于工程实现等优点，在交流调速系统中得到了广泛的应用。本文将讨论基于滑模观测器的无传感器矢量控制技术。

　　PMSM无传感器矢量控制原理
　　状态观测器的实质就是重构控制系统的状态，将原系统中可以直接测量的变量作为新构造系统的输入信号，并使构造新系统的输出信号在一定条件下等于原系统的状态。滑模变结构控制就是根据系统当前的状态的不同，反馈控制器的结构按照事先规定的控制法则有目的地、不断地变化。通过控制系统结构的不断变化，最终使得系统的结构以极高的频率来回切换，系统的状态点做高频的上下穿越运动即滑模运行。由于变结构控制的这种独特的不连续的控制特点，它对被控对象的数学模型的精确程度要求不高，尤其是在控制过程中被控对象参数的变化和外部干扰，这些都不会对变结构控制的控制精度产生较大的影响，即变结构控制对外界的干扰有很强的鲁棒性。
　　变结构控制的基本原理是：在变结构控制中，控制量根据设定的控制法则在u+（x） 或u？（x） 之间切换。 变结构控制就是根据系统当前的状态的不同，反馈控制器的结构按照事先规定的控制法则有目的地、不断地变化，最终使得系统的结构以极高的频率不停地来回切换，系统的运动点则以极小的幅度和极高的频率在S（x）=0 上下穿越。这种特殊的状态叫做“滑模状态”。此时，这种变结构控制就叫滑模变结构控制。此时，称S（x）=0 被称作滑模面，S=S（x） 为切换函数。
　　滑模观测器设计
　　
　　等式2减去等式1可得：
　　
　　
　　无传感器矢量控制
　　
　　图1 无传感器FOC控制框图
　　图1为无传感器FOC控制框图。整个FOC控制的核心是坐标变换，通过坐标变换将采样所得的三相电流转换成转矩电流分量i_q和磁通电流分量i_d。通过PI控制器分别对i_q和i_d进行控制，并将i_d的参考值设置为0实现最大转矩控制。三相电流采样重构后经过滑模观测器，一方面获得转子位置角，用于坐标变换，另一方面可利用角度信息获取速度信息，用于速度控制。最后通过FOC SVPWM法对三相逆变器进行控制，实现逆变驱动PMSM运行。

　　PSoC4简介
　　PSoC？4 是基于ARM Cortex-M0 CPU的可编程嵌入式系统控制器家族，它集合了可编程模拟资源、可编程内部互联、用户可编程数字逻辑、通用的固定功能外设计以及高性能的ARM Cortex-M0 CPU子系统。相对于PSoC3、PSoC5系列产品的各个方面， PSoC？4都做了很大的改进。PSoC？4现包含CY8C4100 和CYCY8C4200两个产品系列，PSoC4100系列是基于ARM内核的最低成本的PSoC，它将PSoC的灵活性和高集成度引入对成本敏感的大批量生产的产品中。PSoC4200系列拥有速度更快的处理器，更高的ADC采样速度，以及基于PLD的增强型通用数字模块（UDB）。以下概括了其主要特性。
　　· 高性能 Cortex-M0 CPU 内核。基于48 MHz ARM Cortex？-M0 中央处理器 ， 支持单周期乘法。
　　· 固定功能以及可配置的数字模块。包括四个独立的可支持中央对齐的PWM，支持互补的可编程死区及同步ADC操作;两个可工作为SPI/UART/I2C 串行通信接口的串行通信模块（SCB）;
　　· 高性能模拟系统。包括一个支持零开销通道切换功能的12位1 Msps ADC; 两个支持比较器模式及SAR ADC输入缓冲功能的运算放大器; 两个低功耗比较器;一个电容感应（CapSense）模块，提供极佳的信噪比和防水功能;两个电流数模转换器 （IDAC）。
　　· 高度可编程的数字逻辑。四个可编程数字逻辑模块（UDB），每个包含两个微型的可编程逻辑阵列和一个8位数据运算单元 。
　　· 灵活可编程的内部互连。

　　基于PSoC4的无传感器矢量控制方案
　　PSoC4？内部集成四个独立的可支持中央对齐、互补的可编程死区及同步ADC操作的TCPWM模块;一个支持零开销通道切换功能的12位1 Msps ADC; 两个支持比较器模式及SAR ADC输入缓冲功能的运算放大器。丰富的片内资源可将主控电路所需芯片集成到一片芯片中，实现高度集成化。图2显示了PSoC4无传感器FOC硬件控制框图。
　　
　　图2 PSoC4 无传感器FOC硬件控制框图
　　电流检测电阻上的信号直接进入PSoC4内部运算放大器，经放大后通过内部模拟多路选择器进入高速SAR ADC采样。采样后由Cortex-M0进行FOC算法计算，更新TCPWM占空比，驱动PMSM运转。
　　相对于其他解决方案，基于PSoC4的无传感器FOC解决方案具有以下特点优势：
　　1） 采用高性价比的Cortex-M0内核。Cortex-M0是市场上现有的最小、最节能的ARM处理器，代码占用空间小，能以8位处理器的价格获得32位处理器的性能，可明显节约系统成本。
　　2） 内部集成两个支持比较器模式及SAR ADC输入缓冲功能的运算放大器。目前市场大部分解决方案均需外部运放完成电流采样，采用PSoC4可从系统BOM表中移除外部运放，减少系统成本。
　　3） 内部集成两个低功耗比较器，可用于硬件保护或错误信号处理。市场常用解决方案大部分采用外部比较器完成此功能。采用PSoC4可进一步减少BOM，降低成本。
　　4） 减少PCB空间及BOM成本。由于PSoC4集成了电机控制所需大部分外设及其他丰富的模块，可实现高度集成化的设计。
　　5） 固件IP保护。PSoC提供了极强的软件/硬件IP保护能力，这对电机应用尤其重要。
　　6） 灵活的通讯接口。PSoC特殊的可编程架构提供了极为灵活的通讯接口，可满足各种应用的需求。

　　基于PSoC4的设计实例
　　PSoC 4采用PSoC Creator集成设计环境，PSoC Creator允许用户拖放预先配置好的、可随时投产的模拟和数字IP模块，也就是PSoC组件到自己的设计之中，并将其按照多种应用需求进行配置，实现软硬件协同设计，创建真正属于自己的器件。PSoC4能提供数十种免费的PSoC组件（Components？）， 可适用于很多类应用。
　　1） 原理图设计
　　主控电路部分最核心的有两部分：PWM及电流采样，我们将重点讨论着两部分的设计过程。与PSoC3、PSoC5相比，PSoC4增强TCPWM模块的功能。TCPWM包括四个16位的周期长度用户可编程的计数器，这些计数器之间可以进行功能同步。每个模块包含一个捕获寄存器、一个周期寄存器以及一些比较寄存器。每个模块都支持互补的可编程的死区，还支持一个关断输入信号来强迫输出信号进入预先设定的状态。
　　如图3所示，从PSoC Creator中拖放三个TCPWM模块，配置TCPWM的工作模式为中央对齐，带死区的双路互补输出模式。三对PWM输出可分别作为U、V和W相桥臂驱动信号（如PWM_U_Upper， PWM_U_Lower）。同时在任一TCPWM模块的UN事件输出（下溢信号，用来指示计数器向下计数达到“0”）触发PWM中断（PWM_MainLoop_ISR），用于进行FOC计算并更新占空比，同时在任一TCPWM模块的OV事件输出（上溢信号，用来指示计数器向上计数达到周期寄存器中的值）触发ADC中断，用于采样相电流及母线电压等。图中的控制寄存器（PWM_Ctrl_Reg）还可以同时使能或禁止六路PWM输出。PSoC灵活的可编程特性可轻松实现了三对严格同步的互补对称PWM及其更新逻辑，这样可以使工程师将更多的时间专注于算法层面，提供产品的竞争力。
　　
　　图3三相PWM原理图
　　采样部分主要负责完成两相电流及母线电压采样。如图4所示，电流检测电阻上的信号直接进入芯片内部运放放大器（Opamp_1， Opamp_2），电路形式采用差分放大形式，相关阻容在芯片外部。信号经放大器放大后直接由内部进入SAR ADC模块进行采样。SAR ADC模块能够实现最高1Msps的单通道采样，支持零开销通道切换功能。
　　
　　图4 采样部分原理图
　　2） 程序设计
　　主控程序首先会初始化和配置PSoC？4的内部资源，然后进入主循环。主循环主要检测用户的起停命令和速度给定，决定电机的运动状态;并完成一定的调试输出功能。FOC主算法全部在PWM中断中完成，主要完成读取ADC采样结果，完成坐标变换，PID控制，SVPWM输出及更新占空比等操作。具体流程图如图5所示。
　　
　　图5 程序流程图
　　3） 实验结果
　　在PSoC Creator环境下编译工程，并连接PSoC4开发板，三相全桥驱动板与PMSM电机，通电后电机可正常运行。图6显示了电机相电流波形。从测试结果可以看出，电流波形平滑，正弦度很好。
　　
　　图6 相电流波形图
　　2. 小结
　　上述实例介绍了如何在PSoC？4 平台上实现PMSM无传感器矢量控制。PSoC？4作为Cypress最新推出的产品，针对电机控制做出了富有特色的优化。凭借片内丰富的资源及高度的灵活性，用户可以轻松设计出高度集成化、低成本、性能优越的PMSM矢量控制系统，提高产品的核心竞争力。