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矢量控制(FOC)是空間矢量脈寬調制最重要的應用之一。矢量控制，又名磁場(chǎng)定向控制，其特點(diǎn)是通過(guò)坐標變換技術(shù)把交流電機定子電流分解為轉矩和磁通分量，從而實(shí)現像直流電機一樣的控制電機的輸出轉矩和磁通。矢量控制廣泛應用于永磁同步電動(dòng)機(PMSM)的控制。 目前市場(chǎng)上較為常用的FOC方案會(huì )采用DSP、ASIC或通用MCU進(jìn)行控制。DSP運算能力高，實(shí)時(shí)性強，常用于FOC控制，但存在著(zhù)成本較高的缺點(diǎn)。ASIC將FOC固化在芯片內部，無(wú)需編程，但會(huì )帶來(lái)算法無(wú)法修改、不夠靈活的缺點(diǎn)。通用MCU種類(lèi)較多，平臺復雜。常用的幾種方案一般至少還需要2個(gè)外部運放完成電流采樣。 另外還有一種基于PSoC4的方案，該方案利用PSoC4內部豐富的數字及模擬資源及獨有的可編程特性可實(shí)現高度集成化、低成本的矢量控制。圖1顯示了PSoC4矢量控制(無(wú)傳感器)硬件控制框圖。PSoC4內部集成四個(gè)獨立的可支持中央對齊、互補的可編程死區及同步ADC操作的TCPWM模塊，可用于SVPWM輸出；一個(gè)支持零開(kāi)銷(xiāo)通道切換功能的12位1Msps ADC，用于電流采樣；兩個(gè)支持比較器模式及SAR ADC輸入緩沖功能的運算放大器，可省掉兩個(gè)外部運放。豐富的片內資源可將矢量控制主控電路所需芯片集成到一片芯片中，實(shí)現高度集成化。 
圖1：PSoC4 無(wú)傳感器FOC硬件控制框圖。 相對于其他解決方案，基于PSoC4的無(wú)傳感器FOC解決方案具有以下特點(diǎn)優(yōu)勢： 1. 采用高性?xún)r(jià)比的Cortex-M0內核。Cortex-M0是市場(chǎng)上現有的最小、最節能的ARM處理器，代碼占用空間小，能以8位處理器的價(jià)格獲得32位處理器的性能，可明顯節約系統成本。 2. 內部集成兩個(gè)支持比較器模式及SAR ADC輸入緩沖功能的運算放大器。目前市場(chǎng)大部分解決方案均需外部運放完成電流采樣，采用PSoC4可從系統BOM表中移除外部運放，減少系統成本。 3. 內部集成兩個(gè)低功耗比較器，可用于硬件保護或錯誤信號處理。市場(chǎng)常用解決方案大部分采用外部比較器完成此功能。采用PSoC4可進(jìn)一步減少BOM，降低成本。 4. 減少PCB空間及BOM成本。 5. 固件IP保護。PSoC提供了極強的軟件/硬件IP保護能力，這對電機應用尤其重要。 6. 靈活的通訊接口。PSoC特殊的可編程架構提供了極為靈活的通訊接口，可滿(mǎn)足各種應用的需求。 空間矢量脈寬調制原理 SVPWM是近年發(fā)展的一種比較新穎的調制方法，是由三相功率逆變器的六個(gè)功率開(kāi)關(guān)元件組成的特定開(kāi)關(guān)模式產(chǎn)生的脈寬調制波，能夠使輸出電流波形盡可能接近于理想的正弦波形。與電壓正弦PWM不同， SVPWM法是從電機的角度出發(fā)的，著(zhù)眼于如何使電機獲得幅值恒定的圓形旋轉磁場(chǎng)，即正弦磁通, 模型構造簡(jiǎn)單，便于數字化實(shí)現。與傳統電壓正弦PWM相比，該控制方法具有使得電機轉矩脈動(dòng)降低、電流波形畸變減小、直流電壓利用率提高的優(yōu)點(diǎn)。 圖2是一種典型的三相逆變器的結構， Va, Vb,Vc是逆變器的電壓輸出，Q1到Q6是6個(gè)功率晶體管，它們分別被a，a’，b，b’，c，c’這6個(gè)控制信號所控制。當逆變橋上半部分的功率管與下半部分的功率管為互補關(guān)系，即當a為1時(shí)，a’為0。
圖2：三相逆變器結構圖。 從圖3可以看出，開(kāi)關(guān)變量矢量[a，b，c]有8個(gè)不同的組合值，即逆變橋上半部分的3個(gè)功率晶體管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)有8種不同的組合，故其輸出的相電壓和線(xiàn)電壓有8種對應的組合。開(kāi)關(guān)變量矢量[a、b、c]與輸出的線(xiàn)電壓和相電壓的對應關(guān)系見(jiàn)表1。
圖3：基本電壓空間矢量。 在(α,β)坐標系中，輸出的三相線(xiàn)電壓可以用下面等式表示：
公式1
公式2 由表1可知，功率晶體管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)的組合一共只有8個(gè)，則在(α,β)坐標系中的Vsα、Vsβ也有8種組合。Vsα、Vsβ是空間矢量分解得到的子軸分量，它們的對應關(guān)系如表2所列。由此可得到8個(gè)基本電壓空間矢量，分別為 U0, U60,U120,U180, U240, U300, 0000和0111。其中0000和0111為零矢量。這六個(gè)非零基本電壓空間矢量將(α,β) 坐標平面分為六個(gè)扇區，如圖3所示。 由8個(gè)基本電壓空間矢量可以合成任意定子電壓矢量。如圖4所示，以U0, U60扇區為例，若在一個(gè)PWM周期T內，同時(shí)輸出T1時(shí)間U0矢量和T2時(shí)間的U60矢量，則由矢量(T1/T)U0，(T2/T)U60可以合成給定的參考電壓矢量Uout。
圖4：由基本電壓空間矢量合成的子電壓矢量。 由圖4可得：
公式3
公式4 因此，
公式5
公式6 可得 T1 ，T2
公式7
公式8
公式9
公式10 由此可知SVPWM實(shí)現步驟：先通過(guò)Uout判斷出電壓矢量所在扇區，再根據相鄰的電壓矢量及Uout計算出兩個(gè)基本矢量作用時(shí)間；最后根據兩個(gè)基本矢量作用時(shí)間計算出PWM開(kāi)關(guān)時(shí)間及占空比。 基于PSoC4的設計實(shí)例 我們使用TCPWM模塊來(lái)實(shí)現SVPWM。TCPWM模塊提供了電機控制常用的中央對齊、邊沿對齊PWM，并可實(shí)現嚴格的同步功能。支持靈活的死區控制，并可與ADC同步。TCPWM包括四個(gè)16位的周期長(cháng)度用戶(hù)可編程的計數器，這些計數器之間可以進(jìn)行功能同步。每個(gè)模塊包含一個(gè)捕獲寄存器、一個(gè)周期寄存器以及一些比較寄存器。每個(gè)模塊都支持互補的可編程的死區，還支持一個(gè)關(guān)斷輸入信號來(lái)強迫輸出信號進(jìn)入預先設定的狀態(tài)。 如圖5所示，從PSoC Creator中拖放三個(gè)TCPWM模塊，配置TCPWM的工作模式為中央對齊，帶死區的雙路互補輸出模式。三對PWM輸出可分別作為U、V和W相橋臂驅動(dòng)信號(如PWM_U_Upper, PWM_U_Lower)。同時(shí)在任一TCPWM模塊的UN事件輸出(下溢信號，用來(lái)指示計數器向下計數達到“0”)觸發(fā)PWM中斷(PWM_MainLoop_ISR)，用于進(jìn)行FOC計算并更新占空比。
圖5：三相PWM原理圖。 “PWM_UPDATE”信號可在UN事件時(shí)觸發(fā)TCPWM的Switch事件，周期和比較寄存器上的值會(huì )自動(dòng)與緩存周期和比較器寄存器的值更換。利用此特性，我們可以在TC事件之前更新緩存寄存器，然后用同一信號觸發(fā)不同PWM的Switch事件，由此保證各路PWM更新的嚴格實(shí)時(shí)同步。 圖中的控制寄存器(PWM_Ctrl_Reg)還可以同時(shí)使能或禁止六路PWM輸出。PSoC靈活的可編程特性可輕松實(shí)現了三對嚴格同步的互補對稱(chēng)PWM及其更新邏輯，這樣可以使工程師將更多的時(shí)間專(zhuān)注于算法層面，提供產(chǎn)品的競爭力。 主控程序首先會(huì )初始化和配置PSoC4的內部資源，然后進(jìn)入主循環(huán)。主循環(huán)主要檢測用戶(hù)的起停命令，決定電機的運動(dòng)狀態(tài)；并完成一定的調試輸出功能。FOC主算法全部在PWM中斷中完成，主要完成坐標變換，SVPWM輸出及更新占空比等操作。中斷程序會(huì )人工生成一個(gè)周期性變化的角度，用于電機開(kāi)環(huán)運行。圖6顯示了主控程序流程圖。
圖6：程序流程圖。 實(shí)驗結果 在PSoC Creator環(huán)境下編譯工程，并連接PSoC4開(kāi)發(fā)板，三相全橋驅動(dòng)板與PMSM電機，通電后電機可正常運行，圖7電機相電流波形。從測試結果可以看出，電流波形平滑，正弦度很好。
圖7相電流波形圖。 小結 上述實(shí)例介紹了如何在PSoC4 平臺上實(shí)現空間矢量脈寬調制。PSoC4針對電機控制做出了富有特色的優(yōu)化。憑借片內豐富的資源及高度的靈活性，用戶(hù)可以輕松設計出高度集成化、低成本、性能優(yōu)越的PMSM矢量控制系統，提高產(chǎn)品的核心競爭力。 |
