电机控制软硬件验证合集V3版本：转子初始位置辨识功能的优化开发记录和总结

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前言自叙：V3版本的开发是在V2版本的基础上，进行性能优化和功能增加。功能增加主要包括：1、转子初始位置辨识；2、转子初始位置辨识精度的提升优化；3、电流检测与电流控制；

开发内容的总体大纲：

在现有的浮点标幺化仿真系统中加入bode图分析的功能，速度环和电流环的PI参数设置好后，运行脚本后可以直接查看对应的幅频、相频特性曲线和阶跃响应。

一、开发资料的整理

1.1 参考文献和资料

1、《一种永磁同步电机初始定位的方法_康现伟》

2、《一种大幅提高永磁同步电机转子初始位置检测精度的方法》

3、《一种增强可靠性的永磁同步电机初始角检测_黄科元》

4、《电机控制算法实战》

1.2 CCS工程架构、功能的介绍

图1.1 CCS工程化架构

在第五个文件下增加了系统轮询和上位机部分的头文件和源文件的内容，在调试过程中借助上位机显示的过程变量，调整控制参数和实现过程有了可靠参考。

1.3 为什么要进行转子初始位置辨识

永磁同步电机（PMSM）需要转子初始位置辨识，核心原因是：矢量控制必须知道转子磁极位置，才能把定子电流正确地分解到 d/q 轴上。

如果不知道初始位置，电机刚启动时控制器不知道“转子磁场朝哪儿”，就可能出现以下问题：

1、无法正确产生电磁转矩：PMSM 的转矩主要由 q 轴电流产生。控制器需要把三相电流变换到与转子同步旋转的 d/q 坐标系中。如果转子角度错了，原本想加在 q 轴上的电流可能被加到 d 轴甚至反向 q 轴上，导致转矩不足、反转、抖动或启动失败。

2、无位置传感器控制启动困难：对无位置传感器 PMSM 来说，中高速时可以通过反电动势或观测器估算位置；但静止和低速时反电动势很小，基本无法直接估算，所以启动前必须先辨识转子初始位置。

3、避免启动冲击和反转：如果初始角度估计错误，给定电流方向可能与期望转矩方向不一致。轻则启动抖动、噪声大，重则短暂反转或过流。

4、提高启动成功率和动态性能：精确初始位置可以让电机从静止开始就进入正确的磁场定向控制状态，使启动转矩可控、响应平稳。

5、对凸极 PMSM / IPMSM 尤其重要：内嵌式永磁同步电机（IPMSM）有明显磁阻差异，可以利用高频注入等方法辨识转子位置；但如果初始极性判断错误，可能出现 180° 电角度误判，导致转矩方向相反。

简单说：PMSM 控制器要“对准转子磁场”才能控制转矩，而电机静止时控制器通常不知道转子磁场初始方向，所以需要初始位置辨识。

现有的永磁同步电机转子初始位置检测方法可以分为两类：基于电机自身的磁路结构凸极效应和基于定子铁心的非线性饱和特性。内置式永磁同步电机由于自身转子磁路结构不对称，其在直轴电感、交轴电感不同时呈现结构凸极性。一般情况下，表贴式永磁同步电机的交、直轴电感相等，在定子绕组注入电流，电流产生的磁场方向和永磁体磁场方向一致时，会导致直轴磁路出现饱和，直轴电感小于交轴电感，呈现出饱和凸极性。

二、转子初始位置辨识方法总结

2.1 预定位法

预定位的原理是通过对电机的定子绕组施加静止的电流矢量（固定角度和幅值），然后由该电流矢量所产生的电磁转矩将电机的转子旋转到预定位置。

图2.1 转子预定位算法结构

控制永磁同步电机时，不要速度环，直接把转矩电流设定为0，把励磁电流设定为固定值，给它不同的设定角度，可以控制电机运行到任何角度位置。

2.2 基于电压矢量脉冲注入法

基于电压矢量脉冲注入的原理实现，具体过程参考以下的参考文献：

《一种大幅提高永磁同步电机转子初始位置检测精度的方法》

《一种增强可靠性的永磁同步电机初始角检测_黄科元》

2.3 高频注入法（要求同步机具有一定的凸极性IPMSM）

目前的控制电机为表贴式PMSM，所以不能进行这部分的验证实现，后面更换电机再进行实现和验证。

三、电流检测与电流控制（优化补充）

后期内容进行整理。

四、软、硬件平台的实现和验证

4.1 MATLAB/Simulink仿真验证（本节不做仿真模拟）

4.2 TI_DSP28335实验平台验证测试

图4.1 参考文献中的注入电压脉冲对应的电流响应

图4.2 实际硬件测试平台抓取的电压脉冲注入对应的电流响应

图4.3 转子初始位置辨识后的电机启动波形

V3版本中采用多轮电压矢量脉冲注入法，第一轮采用的是12脉冲交叉注入，获取初始角；第二轮注入，根据第一轮注入获取的角，进行细分注入，精确得到电机的初始角度，精度达到±3°，将获取的初始位置角赋值转换成编码器的位置计算器的值，进行闭环启动。

为了防止辨识过程中转子轴转动，采用+V、0、-V注入，持续一段时间让电流响应有足够的时间，从而削弱转矩力，在辨识过程中保持转子轴静止，实测结果如图（4.3）所示，电机启动时转子轴没有反转的现象。

五、总结

1、V3版本是在V2版本的基础上进行的，局部实现的过程优化和功能的增加，优化软硬件框架，为后续的内容开发提供基础；

2、V2版本中的转子初始位置辨识用的预定位法，V3版本采用基于电压矢量脉冲注入法，适用场景得到拓展，适用于要求电机启动转子轴静止不动的应用场景；

3、对硬件测试平台的电流采样实现的方式进行总结、梳理以及对采样得到的电流进行优化处理；

4、电流控制的内容，主要就是电流内环的PI参数整定以及前馈电压补偿部分的总结；

5、基于电压矢量脉冲注入法对转子初始位置角的估计精度的优化，一般采用多轮注入，最大的问题就是解决辨识启动，电机转子轴反转的问题；

来源：浅谈电机控制

电机控制核心技术：完结篇：TI&DSP_F28335手搓实战系列-永磁同步电机有速度传感器矢量控制

导读：基于TI_DSP_F28335的永磁同步电机有感矢量控制（ABZ编码器）C代码手搓基本完成，并在硬件测试平台上验证调试完成，下面把实现过程进行梳理总结并进行局部的优化。高质量的参考书籍推荐一波：图1 开发环境-CCS和MATLAB常见的电机控制的开发环境就是CCS和MATLAB来进行分步验证，协助开发，所以需要熟练使用MATLAB和CCS。一、创建CCS工程模板架构CCS工程模板的创建，一般包括：图2 CCS工程模板的架构工程模板的创建需要注意的点就是：1、头文件路径的配置；2、烧录方式；3、二、程序软件架构主程序的作用是初始化系统和完成主循环，初始化主要包含DSP的时钟、中断、通用IO口的配置信息等的初始化，与DSP关联的外围芯片的初始化，控制系统参数变量的初始化等，初始化中还包括检测直流侧的母线电压并判断是否出现故障，转子初始位置处理等，这些工作准备就绪进入主循环等待中断，主程序流程图如图（3）所示。图3 主程序结构故障中断子程序的作用是实现对系统的保护，主要处理IGBT故障及过流、过压、缺相、欠压等破坏性故障。当系统出现故障时，为防止IGBT烧坏，应立即关闭驱动模块的电源，封锁PWM的输出信号，并对故障信息进行记录。故障中断子程序的流程图如图（4）所示。图4 故障中断子程序的流程图PWM中断程序是系统软件设计的核心，系统中所用的有感矢量控制策略就是在该部分实现的，PWM中断子程序流程图如图（5）所示。PWM中断子程序的主要作用是进行转子位置计算、转速指令获取、转速环控制以输出所需的电流指令、有感矢量控制策略的实现、电机定子电流的采样、过流、缺相等故障的判断、坐标变换、dq电流环控制以及输出电压指令、SVPWM调制以输出逆变器所需的驱动信号，达到电机控制的目的。图5 PWM中断子程序流程图注：TZ保护和故障检测部分需要重点梳理和优化。三、控制策略模块化实现和测试验证（浮点标幺化实现）图6 永磁同步电机有感矢量控制系统框图（模块化）3.1 SVPWM调制图7 SVPWM生成的马鞍波总结：SVPWM浮点标幺化实现的重点：（1）ePWM外设模块的底层配置；（2）SVPWM计算函数的设计和实现；（3）生成的ePWM比较值要和PWM波生成要匹配；3.2 ADC电流采样和ABZ测速、位置获取图8 电流采样和eQEP位置测算的波形变化总结：ADC和eQEP外设模块的实现电流采样、速度和位置估算的重点：（1）ADC外设模块的底层配置；（2）直流偏置的计算，与模拟值的变化对应；（3）eQEP外设模块的底层配置；（4）速度和位置的计算处理；3.3 坐标变换图9 静止坐标系下的电流波形变化总结：坐标变换实现的重点：（1）首先要明确坐标变换的原则；（2）位置角的选取；3.4 PI调节器（电流环和速度环）总结：速度环和电流环实现的重点：（1）PI调节器的类型和方式的选择；（2）PI参数的自整定；（3）抗积分饱和的设计；3.5 速度规划图10 加入速度规划（斜坡函数）的速度波形变化总结：速度规划实现过程中的重点：（1）速度规划方法的选择；（2）将速度规划的额内容嵌入到速度环中；（3）相关参数的设置；3.6 上位机显示总结：上位机实现过程的重点：（1）波特率和通信方式的确定；（2）显示的设置；（3）四、总结和优化总结在上面第三章做了简单的说明，优化的部分可以简单的归纳为以下几个方面：（1）SVPWM的调制方式，七段式和五段式；（2）PI参数的自整定，带宽法和基于零极点对消法；（3）矢量控制策略，最大转矩电流比控制方式；（4）ABZ编码器测速方法的替换，MT法或者基于PLL法；五、后续的开发计划1、弱磁调速控制；2、死区补偿；3、无感控制；4、初始位置辨识；5、电机参数辨识；来源：浅谈电机控制