无传感器磁场定向控制及其在无人机中的应用 演讲者 : 张炎应用工程师 Microchip Technology Inc.
2016 Microchip Technology Inc. 第七届微电机 ( 深圳 ) 驱动与控制技术研讨会 2 议程 滑模观测器 (SMO) 锁相环观测器 (PLL) FOC 相关产品 高性能的数字信号控制器 (dspic33ep) 高集成度的模拟驱动器 (MCP802X & MIC460X) 无人机应用中的 FOC 控制 云台旋翼
2016 Microchip Technology Inc. 第七届微电机 ( 深圳 ) 驱动与控制技术研讨会 3 更快的动态响应 转矩输出平稳, 抖动小 具有更高的效率 更低的电机噪音 正弦的反电动势波形谐波含量少, 有更好的 EMI 性能
2016 Microchip Technology Inc. 第七届微电机 ( 深圳 ) 驱动与控制技术研讨会 4 N ref Σ PI iq ref - - id ref Σ Σ PI PI Vq Vd d,q α,β Vα Vβ 空间矢 量调制 3 相全桥 - θ iq d,q iα α,β ia id α,β iβ a,b,c ib 位置 速度 位置和速度观测器 Vα Vβ 电机
2016 Microchip Technology Inc. 第七届微电机 ( 深圳 ) 驱动与控制技术研讨会 5 es π ωt 位置观测器 -π 滑模观测器 (SMO) AN1078 锁相环观测器 (PLL) AN1292
2016 Microchip Technology Inc. 第七届微电机 ( 深圳 ) 驱动与控制技术研讨会 6 议程 滑模观测器 (SMO) 锁相环观测器 (PLL) FOC 相关产品 高性能的数字信号控制器 (dspic33ep) 高集成度的模拟驱动器 (MCP802X & MIC460X) 无人机应用中的 FOC 控制 云台旋翼
2016 Microchip Technology Inc. 第七届微电机 ( 深圳 ) 驱动与控制技术研讨会 7 (SMO) 电流观测器 Hardware 滑模观测器 Vs PMSM Is - +K d dt i R = i L * * 1 s s + L * ( v e z) s s I*s + Sign (I*s Is) -K z * 被观测电量
2016 Microchip Technology Inc. 第七届微电机 ( 深圳 ) 驱动与控制技术研讨会 8 (SMO) diα Rs 1 = i α + [ u α e α0 ] dt Ls Ls 电机电气微分方程 : diβ Rs 1 = i β + u β e β0 dt Ls L s 定子侧电气方程 ^ di ^ α Rs 1 = iα + [ uα eα zα] dt Ld Ld 滑模观测方程 : ^ di R ^ β s 1 = iβ + uβ eβ z β dt Ld L d 滑模开关量 快速切换 ^ i ^ i α β i i α β
2016 Microchip Technology Inc. 第七届微电机 ( 深圳 ) 驱动与控制技术研讨会 9 (SMO) 滑模运动方程 : ^ Ksmc z α = iα Ksmc + K ierrmax K = + ierrmax [, ] smc ^ smc zβ iβ iβ Ksmc Ksmc [, ]
2016 Microchip Technology Inc. 第七届微电机 ( 深圳 ) 驱动与控制技术研讨会 10 (SMO) 反电势计算方程 : zα eα = τ ss + 1 zβ eβ = τ ss + 1 用低通滤波器滤掉载波 PWM 信息从而获取有效 e e α β
2016 Microchip Technology Inc. 第七届微电机 ( 深圳 ) 驱动与控制技术研讨会 11 (SMO) 为抑制噪音影响, 再次低通滤波 : eα eα Lpf = τ ss + 1 eβ eβ Lpf = τ ss + 1 利用反正切求取位置角 : θ r e 1 α Lpf = tg e β Lpf
2016 Microchip Technology Inc. 第七届微电机 ( 深圳 ) 驱动与控制技术研讨会 12 (SMO) Zalpha Ealpha EalphaFinal EstIalpha 45 45
2016 Microchip Technology Inc. 第七届微电机 ( 深圳 ) 驱动与控制技术研讨会 13 (SMO) qangle Zalpha Ealpha o EstIalpha qangle qcos qsin
2016 Microchip Technology Inc. 第七届微电机 ( 深圳 ) 驱动与控制技术研讨会 14 PMSM 电气模型 (PLL) v i R L Motor e d v s = Ris + L is + dt d es= vs Ris L dt e i s s 通过电气方程直接计算电机反电势 (e s ) 用于后续的 PLL 观测器
2016 Microchip Technology Inc. 第七届微电机 ( 深圳 ) 驱动与控制技术研讨会 15 算法流程 (PLL)
2016 Microchip Technology Inc. 第七届微电机 ( 深圳 ) 驱动与控制技术研讨会 16 (PLL) V S I S E dq-filtered e = v s s Ri s L d dt i s α,β Δ E S =E αβ d,q E dq LPF1 θ ω mr LPF2 ω filtered dt θ Est
2016 Microchip Technology Inc. 第七届微电机 ( 深圳 ) 驱动与控制技术研讨会 17 (PLL) 黄色 :PLL 估算速度 淡青色 : 编码器测得的速度 绿色 :IqRef 红色 :A 相电流
2016 Microchip Technology Inc. 第七届微电机 ( 深圳 ) 驱动与控制技术研讨会 18 议程 滑模观测器 (SMO) 锁相环观测器 (PLL) FOC 相关产品 高性能的数字信号控制器 (dspic33ep) 高集成度的模拟驱动器 (MCP802X & MIC460X) 无人机应用中的 FOC 控制 云台旋翼
高性能的数字信号控制器 (dspic DSC) dspic33ep 电机控制系列 32-512 KB 编程 FLASH 4-48 KB 数据 RAM 存储总线 15 个通道的 DMA 内部 RC 振荡器 ( 带 PLL) 16/32 位定时器 4 个输入捕捉 4 个输出比较看门狗 & 电源管理 70 MIPS 16 位内核 16 位 ALU 17 x 17 位乘法器 16 x 16 位 W 寄存器阵列 双 AGU X & Y 中断控制 外设总线 16 个 1 Msps 10 位 ADC 4 个 UART( 带 LIN 和 IrDA ) 2 个 I 2 C 2 个 SPI 1 个 ECAN 12-14 个 MCPWM JTAG 接口 桶式移位器 2 个 QEI 3 个模拟运放 /4 个比较器 DSP 引擎 双通道 40 位累加器 RTCC, SPMP, CRC 外设引脚选择 2016 Microchip Technology Inc. 第七届微电机 ( 深圳 ) 驱动与控制技术研讨会 19
高性能的数字信号控制器 (dspic DSC) 2016 Microchip Technology Inc. 第七届微电机 ( 深圳 ) 驱动与控制技术研讨会 20 FOC 下 ADC 通道配置 4 个采样 / 保持单元 可实现电流同步采样 多达 16 个通道 实时监控多种状态信息 转换速度快 可达 1.1 Msps
高性能的数字信号控制器 (dspic DSC) 2016 Microchip Technology Inc. 第七届微电机 ( 深圳 ) 驱动与控制技术研讨会 21 4 个 ADC 采保, 可同步采样 1 个 ADC 转换器 最多 16 个通道
高性能的数字信号控制器 (dspic DSC) 2016 Microchip Technology Inc. 第七届微电机 ( 深圳 ) 驱动与控制技术研讨会 22 多达 3 个内置运放 电流采样 电压采样 温度采样 6~8 MHz Gain>=4
高性能的数字信号控制器 (dspic DSC) 2016 Microchip Technology Inc. 第七届微电机 ( 深圳 ) 驱动与控制技术研讨会 23 内置 4 个可编程比较器 反电势过零比较 电流过流保护 V DC 过压保护
2016 Microchip Technology Inc. 第七届微电机 ( 深圳 ) 驱动与控制技术研讨会 24 集成了 LIN 收发器和电源模块的电机预驱动器 内置 LIN 收发器 3 相 6 桥的 MOS 预驱动电路 内置开关模式的可调压的降压电源 内置 LDO 内置端电压比较器和中心点模拟 AEC-Q100 认证 5X5 mm QFN 封装 输入电压范围 :6V~40V 工作电压范围 :6V~19V(MCP8025) 6V~28V(MCP8026) 温度工作范围 :-40~150 C 内置比较器和运算放大器 高度集成的模拟驱动器 (MCP802X) 故障保护 ( 过压 欠压 过温 过流和短路保护等 )
高度集成的模拟驱动器 (MCP802X) 2016 Microchip Technology Inc. 第七届微电机 ( 深圳 ) 驱动与控制技术研讨会 25 MCP8025 功能框架图
高度集成的模拟驱动器 (MCP802X) 2016 Microchip Technology Inc. 第七届微电机 ( 深圳 ) 驱动与控制技术研讨会 26 MCP8026 功能框架图
2016 Microchip Technology Inc. 第七届微电机 ( 深圳 ) 驱动与控制技术研讨会 27 MIC4607-85V 3 相 MOSFET 驱动器 3 相 6 桥的 N MOS 驱动电路 内置自举二极管 可选产生下桥互补 PWM 波形 可编程死区时间设置 内置比较器过流保护 上下桥直通击穿保护 驱动欠压保护 工作温度范围 :-40~125 C 4X5 mm QFN 封装 高度集成的模拟驱动器 (MIC460X)
2016 Microchip Technology Inc. 第七届微电机 ( 深圳 ) 驱动与控制技术研讨会 28 议程 滑模观测器 (SMO) 锁相环观测器 (PLL) FOC 相关产品 高性能的数字信号控制器 (dspic33ep) 高集成度的模拟驱动器 (MCP802X & MIC460X) 无人机应用中的 FOC 控制 云台旋翼
3 轴云台定位精度 < 0.1 度 惯性测量单元从传感器 ( 陀螺仪 / 加速计 / 磁材 ) 得到 3 轴位置变化信息, 然后发送指令到电机控制端来控制摄像头 使用 FOC 控制来保证更佳的控制精度 3 个电机控制单片机单元 :dspic33ep32mc504-i/mv 16/32 位单片机, 可以运行 FOC 16/32 KB 闪存,28/44 脚 小封装,6x6 mm QFN 使用 SPI 与磁性编码器进行通信 无人机应用中的电机控制 ( 云台 ) IMU Board 3 电机 CAN MCP2561 电机控制 dspic33ep32m C504-I/MV SPI 门驱动器 MCP802x MIC4607 MOSFET 云台电机 编码器 传感器 2016 Microchip Technology Inc. 第七届微电机 ( 深圳 ) 驱动与控制技术研讨会 29
2016 Microchip Technology Inc. 第七届微电机 ( 深圳 ) 驱动与控制技术研讨会 30 单核对 3 轴的云台控制 ( 正在评估 ): 32 位单片机 PIC32MZ0512EFE064( 带浮点单元的 32 位单片机 ) 实现对 3 个电机的 FOC 控制 兼容云台姿态控制算法 无人机应用中的电机控制 ( 云台 )
无人机应用中的电机控制 ( 旋翼 ) 旋翼控制从六步方波控制转换到 FOC 控制可以体现更好的电流 - 力矩效率, 有更高的稳定性和低电磁噪声 4 个单片机单元 :dspic33ep32mc204-i/pt 16/32 位单片机, 可以运行 FOC 16/32 KB 闪存,28/44 脚 高稳定性和低电磁噪声 转速范围 :8~10 KRPM FMU 4 电机 电机控制 dspic33ep 32MC204-I/PT 栅极驱动器 MCP802xM IC4607 MOSFET 旋翼电机 传感器 2016 Microchip Technology Inc. 第七届微电机 ( 深圳 ) 驱动与控制技术研讨会 31
2016 Microchip Technology Inc. 第七届微电机 ( 深圳 ) 驱动与控制技术研讨会 32 无人机应用中的电机控制 ( 旋翼 ) 旋翼电机无传感器 FOC 控制设计参考样品 单片机 :dspic33ep32mc204-i/pt 栅极驱动器 :MIC4607/MCP802x 控制方式 : 无传感器 FOC 控制
2016 Microchip Technology Inc. 第七届微电机 ( 深圳 ) 驱动与控制技术研讨会 33 无人机应用中的电机控制 ( 旋翼 ) 旋翼电机无传感器 FOC 控制碰到的问题及对策 FOC 正弦调制无法达到六步方波一样的直流电压利用率 - 采用 SVPWM 过调制技术, 可以实现直流电压利用率的提升, 通过在不同的 FOC 控制中测试, 电机最高转速可以得到提升 有传感器 FOC 控制 无传感器 FOC 控制 电机最高转速 100% 100% 过调制后的最高转速 >113% >110% 旋翼堵转无法及时响应处理 - 通过采集端电压的方式来混合具有强鲁棒性的滑模观测器可以实现 FOC 控制在低速下的堵转判断检测
2016 Microchip Technology Inc. 第七届微电机 ( 深圳 ) 驱动与控制技术研讨会 34 无人机应用中的电机控制 ( 旋翼 ) 旋翼电机无传感器 FOC 控制碰到的问题 旋翼负载大, 加速过快容易造成 MOS 管发热 - 将五段式 SVPWM 与七段式 SVPWM 混合的调制方式取代原有的七段式 SVPWM 调制, 可以在满载的时候减少 30% 的 MOSFET 开关损耗
谢谢! 注 :Microchip 的名称和徽标组合 Microchip 徽标及 dspic 均为 Microchip Technology Inc. 在美国和其他国家或地区的注册商标 在此提及的所有其他商标均为各持有公司所有