无感FOC中电机参数设定对电机输出效果影响研究

刘志鹏，张安东

（贵州航天林泉电机有限公司苏州分公司，江苏 苏州 215000）

永磁同步电机矢量控制是一种使用正弦信号驱动电机，使电机平稳高效运行的电机控制方法[1]。在永磁同步电机控制过程中，转子磁场与定子感应电流产生的磁场需要存在稳定的相差角度，确保电机产生稳定转矩[2]，并根据转子位置准确控制定子电流。随着主控芯片算力的逐步提高，噪音低、工作效率高的FOC日渐成为主流电机控制方式。

FOC控制精度很大程度上取决于定子的位置检测精度[3]，传统的获取转子位置的方法是通过旋转编码器、光电编码器以及霍尔传感器等位置传感器获取转子位置[4]。为减少位置检测成本，无位置传感器控制技术得到了发展。无位置传感控制技术通过检验电流、电压参数，与结合电机自身参数，对转子位置进行实时估算[5-6]。

由于电机自身参数对转子角度估算结果影响较大，本文以电机自身参数为研究对象，以无感FOC算法为控制策略，研究无感FOC中电机参数设定对电机输出效果的影响。

1 电机控制器平台搭建

本文电机控制器由硬件平台与软件控制系统两部分组成。硬件平台包括电源模块、主控芯片、驱动芯片、逆变电路、电流检验电阻以及电流采样电路。硬件平台整体结构如图1所示。

图1 硬件平台整体结构示意图

本文控制器主控芯片采用microchip公司的16位单片机DSPIC33E202芯片，以12 MHz的外部晶振作为时钟源，主频80 MHz，拥有2个ADC读取寄存器，6通道PWM专用模块。

根据单片机驱动能力较弱的特点，控制器添加驱动芯片用于提高单片机的PWM信号驱动能力，以确保逆变电路有效工作。

为确保电机高效运行，控制器以三对六个MOSFEET组成逆变电路，同时使用电阻对A、B相电流进行采样，电流经过采样电路放大处理后，输入单片机ADC读取引脚。

2 电机整体控制策略

本文整体控制策略采用FOC控制策略，控制程序通过检验、解析、输出驱动信号实现电机功能，为确保响应速度，控制程序主要集中于各中断函数。

本文控制器采用FOC控制算法，驱动方式采用传统的三段式驱动方式，即强拖至固定角度、电流环闭环运行、电流环速度环闭环运行。采用恒转矩启动方式，该方式的好处在于启动后运行平稳，对于突加负载鲁棒性较好。整体控制程序原理图如图2所示。

图2 控制器整体控制程序原理图

FOC是利用坐标转换的方式，对永磁同步电机的相电流进行解耦分析，由于电机三相电流会随时间变换，单纯的直接使用三相电流数值作为反馈值所需主控芯片算力较大，因此将三相相电流转化为励磁电路和负载电流，从而获得较好的动态特性。

控制器控制方案采用电机相电流作为反馈值，采样A、B两相电流，根据IA+IB+IC=0，得出C相电流数值。

首先将采集的相电流进行Clark变换，转化为定子直角坐标，通过Park变换转换为转子直角坐标，使用PID控制器对电流、速度进行闭环处理，经过反Park变换结合滑膜观测器得出角度、速度，使用SVPWM输出至逆变器实现电机驱动控制。

3 试验规划与试验结果分析

本文的目的是研究无感FOC电机参数设定对电机输出效果的影响程度，根据电机模型公式，影响转子估算角度的主要参数分别为G增益以及F增益，本节以上两参数为试验参数，进行试验规划与试验结果探究。

3.1 试验设计规划

试验设备：30 V、10 A的稳压电源一台，永磁同步电机一台，控制器一台，测功机一台。

具体试验方法：通过更改控制程序内G增益与F增益的数值，在电机进入速度闭环的状态时对转速、母线电流进行测量，分析测量结果并根据分析结果得出两个增益对电机作用效果的影响程度。

试验分为两个阶段，分别对G增益与F增益两因素进行参数选取试验，完成选取试验后分别对两因素进行3个水平因子选取，通过使用软件进行分析，将所获试验参数组成两因素三水平的正交试验，通过分析回归方程确定两因素是否对电机输出效果产生影响，并确定各因素对电机效果的影响程度。

3.2 参数选取试验

根据本文测试电机本身的具体参数，确定该电机F增益真实值为0.2，G增益真实数值为0.4（两增益数值为Q15格式），参数选取试验分别以两参数真实数值为固定值，将电流转换比为判定数值依据，选取两参数最优的具体数值，其中电流转换比计算方式为：

其中：ρ为电流转换比，rpm/A；I为电流，A；n为转速，rpm。

首先对G增益进行分参数选取试验，以0.1递进，对数值0.1-1.0的G增益进行试验，试验结果见表1。

表1 G增益参数选取试验结果

对F增益进行参数选取，以0.1递进，对数值0.1-1.0的F增益进行试验，试验结果见表2。

表2 F增益参数选取试验结果

根据试验结果，确定选取G增益因素的水平因子为0.1、0.4、0.5，确定选取F增益因素的水平因子为0.1、0.2、0.8，确定各因素水平因子后，进行下一步正交试验，如图3所示。

图3 试验现场图

3.3 正交试验与试验结果分析

根据参数选取试验的试验结果，设计正交两因素三水平试验，正交试验结果见表3。

表3 正交试验结果

将试验结果经minitab（试用版）分析，得出回归方程为：

其中x1为G增益，x2为F增益。方差分析结果见表4。

表4 方差分析结果

选取置信区间α为0.1，根据分析结果可知，回归方程可信程度高，G增益与F增益均对电机输出效果影响程度明显，其中G增益较F增益对电机输出效果影响程度更大，且两者交互作用明显。

4 结论

本文以FOC控制算法为基础，探究无感FOC控制算法中电机参数设定对电机输出效果的影响程度，通过电机模型确定电机参数主要体现为G、F两个增益，参数选取试验对比选取两参数水平数值，通过正交试验结果，分析得出两参数均对电机输出效果有影响，并且两参数交互作用明显的试验结论。