Современная электроника №6/2019

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ 60 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2019 ми U q , U d с помощьюПИД-регуляторов, преобразуются в U a , U b . Цикл FOC реализован в функции TSK_HighFrequencyTask(), которая вы- полняется на частотеШИМ (один раз в каждый период ШИМ). Частота ШИМ является самой высокой частотой в под- системе управления двигателем. Функ- ция вызывается в обработчике прерыва- ния, которое возникает, когда перифе- рийные АЦПиспользуются для захвата значения тока фазы. Основной задачей этой функции является вычисление рабочих циклов ШИМ, которые долж- ны быть запрограммированы в кана- лах таймера TM1. Следовательно, время работы этой функции ограничено, т.к. она должна завершиться до следующе- го события обновления таймера, когда будут создаваться новые рабочие циклы ШИМ, – в противном случае вычисле- ния приводят к ошибке алгоритма FOC. Блок цикла эталонных вычислений отвечает за вычисление значений I q *, I d * на основе команд, поступающих из приложения, которое посылает задан- ные значения скорости, крутящего момента или постепенного нарастания скорости до заданного значения. Цикл вычисления сначала преобразует зада- ние приложения в исходные значения I q *, I d *, которые затеммогут пропускать- ся через один или несколько алгорит- мов оптимизации привода двигате- ля: оптимизация максимального кру- тящего момента на ампер (MTPA) или ослабление потока. Затем результиру- ющие значения I q *, I d * используются в цикле FOC. Этот процесс выполняется, когда подсистема управления двигате- лем работает в режиме замкнутого кон- тура (статус RUN). В зависимости от выбранной скоро- сти и состояния привода может потре- боваться фаза настройки, которая про- должается до тех пор, пока оценка про- граммой положения ротора не станет надёжной. Кроме того, в некоторых случаях может потребоваться, чтобы управление двигателем оставалось в разомкнутом контуре, например в про- цессе разгона. Этот случай обрабатыва- ется компонентом Open Loop Control, который выполняется вместо нормаль- ного процесса регулирования FOC. Циклы управления реализуются в двух функциях, по одной на мотор: TSK_ MediumFrequencyTaskM1(), TSK_Medi- umFrequencyTaskM2() для двигате- лей 1 и 2 соответственно. Эти функ- ции должны вызываться периодиче- ски с частотой, как правило, ниже, чем TSK_HighFrequencyTask(). В подсисте- ме управления MC функции вызывают- ся по прерыванию SysTick. Последний набор функциональных блоков – это контур безопасности. Все действия в данном цикле направлены на реагирование на события, которые могут поставить под угрозу аппарат- ную часть системы: перенапряжение или понижение напряжения, пере- грев, перегрузка. Для защиты от пере- грузки по току микропрограмма STM32 MC использует аппаратные механизмы, реализованные в микроконтроллерах STM32, такие как вход Timer Break – аппаратный вход для отключения тай- мера TM1. Эти механизмы ускоряют реакцию системы на сложившуюся ситуацию. Цикл безопасности выпол- няется с той же скоростью, что и цикл эталонных вычислений, со средней скоростью по прерыванию SysTick. Цикл безопасности реализован в функции TSK_SafetyTask(), кото- рая вызывается из TSK_SafetyTask_ PWMOFF(), TSK_SafetyTask_RBRK() или TSK_SafetyTask_LSON(), в зависимости от выбранного метода защиты по пере- напряжению. У ПРАВЛЕНИЕ С ОРИЕНТАЦИЕЙ ПО ПОЛЮ FOC Библиотека программного обеспе- чения PMSM FOC предлагает произво- дительный алгоритм FOC для управ- ления синхронным двигателем. При таком подходе можно создавать элек- тромагнитный момент регулирова- ния и, в некоторой степени, ослаблять поле, контролируя два компонента тока, которые являются математиче- ским преобразованием токов стато- ра. Это напоминает управление дви- гателем постоянного тока, где ток яко- ря взаимодействует с токами полюсов возбуждения двигателя, позволяя хоро- шо управлять скоростью и моментом. Таким образом, можно сказать, что принцип FOC состоит в управлении и ориентации по фазе тока статора, кото- рый взаимодействует с потоком рото- ра. Из этого определения становится ясно, что необходимы средства изме- рения токов статора и угла ротора. На рисунке 3 представлена базовая структура алгоритма FOC управления скоростьюиликрутящиммоментом. Зна- чения I qs * и I ds * –идентификаторызначе- нийэлектромагнитногомоментаи тока. Алгоритмсостоит из следующихблоков: ● блок пространственно-векторной ШИМ (SVPWM) реализует усовер- шенствованный способ модуляции, который уменьшает гармоники тока и оптимизирует эксплуатациюшины постоянного тока; ● блок измерения тока (Current Reading) позволяет системе корректно рассчи- тывать ток статора, используя рези- сторышунта, датчики Холла или изо- лированные датчики тока; ● блокобратнойсвязипоскоростиипо- ложениюротора (Rotor Speed&Position Feedback) позволяет системеобрабаты- вать датчик Холла или инкрементные сигналы энкодера для распознавания углового перемещения ротора; ● блоки ПИД-регуляторов осуществля- ют вычисления обратной связи (ре- гулирование тока); Выпрямитель I a I b I c Трёхфазный инвертор Обратное преобразование Парка и контур ограничения Обратная связь по скорости и положению Преобразо- вание Кларка Пространст- венно- векторная ШИМ Измерение тока АС М + + — — Преобразо- вание Парка ПИД ПИД U c U b U a U α I α U β I β ω r I ds U ds U qs I qs θ rel θ rel Рис. 3. Базовая структура алгоритма FOC