一种基于硬件的磁场定向控制（foc）装置和方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于硬件的磁场定向控制（FOC）装置和方法，将复杂的电机矢量控制算法硬件化，作为微控制器的一个外设，配合专门的调试工具，开发人员只需配置参数，无需编程就可实现对电机的矢量控制。本技术会大大降低电机控制应用的技术门槛，大大缩短开发时间，而且可靠性上更容易得到保证。硬件化还带来一个好处，几乎没有软件维护成本。
【专利说明】一种基于硬件的磁场定向控制(FOC)装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于硬件的磁场定向控制(FOC)装置和方法，属于电学领域，更具体而言，具体涉及一种电机矢量控制算法模块只是一个独立外设，而不是一个独立的处理器的基于硬件的磁场定向控制(FOC)装置和方法。
【背景技术】
[0002]常规的电机矢量控制是基于微控制器或DSP的，其中的电机矢量控制算法采用纯软件的方式实现。由于电机矢量控制算法的复杂性，该算法的编码、调试和测试往往会成为电机控制应用开发的最主要任务，不仅会对开发人员有较高的技术要求，而且往往会占用较多的开发时间。纯软件方式不仅意味着后续较高的软件维护成本，而起其代码的可靠性往往依赖于编码和测试人员的个人经验和专业性，不是很容易控制。
[0003]IR公司的电机控制MCU也将电机矢量控制算法硬件化实现，称为电机控制引擎(MCE)，但在架构上，MCE相当于一个独立的处理器，有自己独立的程序空间，MCE的程序通过一个运动控制序列发生器来实现算法的灵活性。由于MCE与CPU采用不同的核，MCE需要采用专门的编译器和目标代码链接工具，这使得开发过程较为繁复。
【发明内容】
[0004]本发明针对上述问题，提供一种基于硬件的磁场定向控制(FOC)装置和方法，将复杂的电机矢量控制算法硬件化，作为微控制器的一个外设，配合专门的调试工具，开发人员只需配置参数，无需编程就可实现对电机的矢量控制。
[0005]本发明解决上述问题所采用的技术方案是:
[0006]—种基于硬件的磁场定向控制(FOC)装置，包括一个电机矢量控制算法模块,其特征在于，所述电机矢量控制算法模块只是一个独立外设，而不是一个独立的处理器，配合专门的调试工具，只需配置参数，无需编程就可实现对电机的矢量控制。
[0007]进一步地，所述电机矢量控制算法模块Z主要由电流重构模块、Clark变换模块、Park变换模块、滑模&PLL估算位置速度模块、速度PI环模块、d轴电流PI环模块、q轴电流PI环模块、Repark变换模块、SVPWM占空比计算模块及软件修正模块组成；所述电流重构模块连接Clark变换模块；所述Clark变换模块连接滑模&PLL估算位置速度模块及Park变换模块；所述滑模&PLL估算位置速度模块连接速度PI环模块；所述Park变换模块连接d轴电流PI环模块及q轴电流PI环模块；所述Repark变换模块连接d轴电流PI环模块及q轴电流PI环模块，所述Repark变换模块连接SVPWM占空比计算模块及滑模&PLL估算位置速度模块；所述SVPWM占空比计算模块连接软件修正模块。
[0008]更进一步地，一种基于硬件的磁场定向控制(FOC)方法，包括以下步骤:
[0009](I)用户通过在线调试工具输入参数信息，CPU直接对电机外设进行参数配置；
[0010](2)模拟量采样模块按根据配置方式选择自动采样转换单电阻电流或双电阻电流；[0011](3)电机外设根据模拟量采样模块采集到的电流值，通过运算实现FOC算法；
[0012](4)电机外设同时将电机运行的过程数据，通过总线，传回CPU，再通过在线调试工具反馈给用户，便于用户对数据进行跟踪，且相应进行调整；
[0013](5)若用户需要调整参数，则会通过在线调试工具再次对电机外设进行参数配置；
[0014](6)重复执行第二至第五步。最终达到用户对电机控制的指标要求。
[0015]更进一步地，所述电机外设根据模拟量采样模块采集到的电流值，通过运算实现FOC算法包括以下步骤:
[0016](I)模拟量采样模块按照不同的配置将采样到的单电阻或双电阻采样电流值送入电机外设；
[0017](2)电机外设根据配置选择单电阻或双电阻处理方法重构出电机相电流la、Ib ；
[0018](3)电机相电流la、Ib通过Clark变换模块变换为α、β坐标系下电流I α、Ι β ；
[0019](4)根据α、β坐标系下电流I α、Ι β以及转子位置角Θ通过Park变换模块变换为d、q坐标系下电流Id、Iq ；
[0020](5)若速度环使能则计算速度给定值和速度反馈值的PID结果并得到转矩电流参考值，计算完成后产生可屏蔽中断，若未使能中断则后续d轴电流环的参考值为0，q轴电流环参考值为转矩电流参考计算。若使能中断，则d轴电流参考值、q轴电流参考值由软件写入。若速度环未使能，则不计算该环节。
[0021](6)若电流环计算使能则根据当前q轴电流实际值Iq和步骤(5)确定的q轴电流环参考值通过PID计算得到q轴电压Uq。若电流环计算未使能则不计算该环节；
[0022](7)若电流环计算使能则根据当前d轴电流实际值Id和步骤(5)确定的d轴电流环参考值通过PID计算得到d轴电压Ud。计算完成后产生可屏蔽中断，若未使能中断则RePark模块中的输入值为计算得到的Ud、Uq，若使能中断则RePark模块的输入值为软件写入。若电流环计算未使能则不计算该环节；
[0023](8)根据步骤(7)得到的RePark模块输入值及转子位置角Θ通过RePark模块计算得到α、β坐标系下的电压Ua、υβ，计算完成后产生可屏蔽中断。若未使能中断，则后续SVPWM占空比计算模块和滑模位置估算模块的输入为计算得到的电压Ua、υβ，若使能中断，则后续SVPWM占空比计算模块和滑模&PLL估算位置速度模块的输入为软件写入；
[0024](9)根据得到的电压Ua、U β以及a、β轴电流I α、Ι β利用滑模及PLL原理通过滑模&PLL估算位置速度模块估算出当前转子位置角及转子转速。计算完成产生可屏蔽中断，若未使能中断，则Park模块及RePark模块所用转子位置角为滑模估算位置角。若使能中断，则Park模块及RePark模块所用转子位置角为软件写入；
[0025](10)根据步骤(8)中得到的电压Ua、U β，根据SVPWM原理通过SVPWM占空比计算模块计算出三相占空比，计算完成后产生可屏蔽中断。若未使能中断则最终发波所用占空比即为该占空比，若使能中断，则最终发波所用占空比为软件写入。
[0026]本发明的优点是:
[0027]1.本发明将复杂的电机矢量控制算法硬件化，作为一个外设供CPU调用，配以专门的调试工具，无需编程就可实现电机的矢量控制，大大降低技术门槛，缩短开发时间，而且可靠性上更容易得到保证。硬件化还带来一个好处，几乎没有软件维护成本。[0028]2.与IR公司的MCE不同的是，本发明的电机矢量控制算法模块是CPU的一个外设，而不是独立的处理器，因此无需另外的编译器和目标代码链接工具，开发更为方便快捷。
[0029]除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0031]在附图中:
[0032]图1为MCU架构框图；
[0033]图2为外设算法计算框图。
【具体实施方式】
[0034]下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
[0035]参考图1和图2，如图1和图2所示的一种基于硬件的磁场定向控制(FOC)装置，包括一个电机矢量控制算法模块，其特征在于，所述电机矢量控制算法模块只是一个独立外设，而不是一个独立的处理器，配合专门的调试工具，只需配置参数，无需编程就可实现对电机的矢量控制。
[0036]所述电机矢量控制算法模块Z主要由电流重构模块、Clark变换模块、Park变换模块、滑模&PLL估算位置速度模块、速度PI环模块、d轴电流PI环模块、q轴电流PI环模块、Repark变换模块、SVPWM占空比计算模块及软件修正模块组成；所述电流重构模块连接Clark变换模块；所述Clark变换模块连接滑模&PLL估算位置速度模块及Park变换模块；所述滑模&PLL估算位置速度模块连接速度PI环模块；所述Park变换模块连接d轴电流PI环模块及q轴电流PI环模块；所述Repark变换模块连接d轴电流PI环模块及q轴电流PI环模块，所述Repark变换模块连接SVPWM占空比计算模块及滑模&PLL估算位置速度模块；所述SVPWM占空比计算模块连接软件修正模块。
[0037]一种基于硬件的磁场定向控制(FOC)方法，包括以下步骤:
[0038](I)用户通过在线调试工具输入参数信息，CPU直接对电机外设进行参数配置；
[0039](2)模拟量采样模块按根据配置方式选择自动采样转换单电阻电流或双电阻电流；
[0040](3)电机外设根据模拟量采样模块采集到的电流值，通过运算实现FOC算法；
[0041](4)电机外设同时将电机运行的过程数据，通过总线，传回CPU，再通过在线调试工具反馈给用户，便于用户对数据进行跟踪，且相应进行调整；
[0042](5)若用户需要调整参数，则会通过在线调试工具再次对电机外设进行参数配置；
[0043](6)重复执行第二至第五步。最终达到用户对电机控制的指标要求。
[0044]所述电机外设根据模拟量采样模块采集到的电流值，通过运算实现FOC算法包括以下步骤:[0045]( I)模拟量采样模块按照不同的配置将采样到的单电阻或双电阻采样电流值送入电机外设；
[0046](2)电机外设根据配置选择单电阻或双电阻处理方法重构出电机相电流la、Ib ；
[0047](3)电机相电流la、Ib通过Clark变换模块变换为α、β坐标系下电流I α、Ι β ；
[0048](4)根据α、β坐标系下电流I α、Ι β以及转子位置角Θ通过Park变换模块变换为d、q坐标系下电流Id、Iq ；
[0049](5)若速度环使能则计算速度给定值和速度反馈值的PID结果并得到转矩电流参考值，计算完成后产生可屏蔽中断，若未使能中断则后续d轴电流环的参考值为0，q轴电流环参考值为转矩电流参考计算。若使能中断，则d轴电流参考值、q轴电流参考值由软件写入。若速度环未使能，则不计算该环节。
[0050](6)若电流环计算使能则根据当前q轴电流实际值Iq和步骤(5)确定的q轴电流环参考值通过PID计算得到q轴电压Uq。若电流环计算未使能则不计算该环节；
[0051](7)若电流环计算使能则根据当前d轴电流实际值Id和步骤(5)确定的d轴电流环参考值通过PID计算得到d轴电压Ud。计算完成后产生可屏蔽中断，若未使能中断则RePark模块中的输入值为计算得到的Ud、Uq，若使能中断则RePark模块中的输入值为软件写入。若电流环计算未使能则不计算该环节；
[0052](8)根据步骤(7)得到的RePark模块输入值及转子位置角Θ通过RePark模块计算得到α、β坐标系下的电压Ua、υβ，计算完成后产生可屏蔽中断。若未使能中断，则后续SVPWM占空比计算模块和滑模位置估算模块的输入为计算得到的电压Ua、β，若使能中断，则后续SVPWM占空比计算模块和滑模&PLL估算位置速度模块的输入为软件写入；
[0053](9)根据得到的电压Ua、υβ以及a、β轴电流I α、Ι β利用滑模及PLL原理通过滑模&PLL估算位置速度模块估算出当前转子位置角及转子转速。计算完成产生可屏蔽中断，若未使能中断，则Park模块及RePark模块所用转子位置角为滑模估算位置角。若使能中断，则Park模块及RePark模块所用转子位置角为软件写入；
[0054](10)根据步骤(8)中得到的电压Ua、U β，根据SVPWM原理通过SVPWM占空比计算模块计算出三相占空比，计算完成后产生可屏蔽中断。若未使能中断则最终发波所用占空比即为该占空比，若使能中断，则最终发波所用占空比为软件写入。
[0055]如图1所示，模拟量采样模块内部集成了 AD转换模块和运放电路，采样转换结果直接连接到电机控制外设，用户无需格外设计采样电路，节省了 PCB面积和成本，软件上也无需再格外编写电机电流采样部分代码。
[0056]如图1所示，MCU附带有专用的开发调试工具，该工具通过串口与MCU通讯，简单高效。可以实现参数配置、代码编译代码下载、在线调试等功能。其中在线调试状态下可以实现电机的启动、停止、刹车、调速、扩展功能应用、算法参数修改等功能，并可以以示波器的形式实时显示电机运行过程中的运行变量，供用户调试使用。
[0057]如图1所示，MCU附带了电机控制所需用的常用函数库，用户可直接调用封装好的函数借口到用户代码中实现所需功能。函数库包括电机配置函数、电机启动函数、电机停止函数、电机刹车函数、弱磁控制函数、低频转矩补偿函数、死区补偿函数等等。
[0058]综上所述，本发明的一种基于硬件的磁场定向控制(FOC)装置和方法，将电机矢量控制算法模块作为CPU的一个外设，而不是将电机矢量控制算法模块作为一个独立的处理器，因此无需另外的编译器和目标代码链接工具，开发更为方便快捷。
[0059]以上所述仅为本发明的优选实施例而已，本发明包括但不限于本实例，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种基于硬件的磁场定向控制(FOC)装置，包括一个电机矢量控制算法模块，其特征在于，所述电机矢量控制算法模块只是一个独立外设，而不是一个独立的处理器，配合专门的调试工具，只需配置参数，无需编程就可实现对电机的矢量控制。
2.根据权利要求1所述一种基于硬件的磁场定向控制(FOC)装置，其特征在于，所述电机矢量控制算法模块Z主要由电流重构模块、Clark变换模块、Park变换模块、滑模&PLL估算位置速度模块、速度PI环模块、d轴电流PI环模块、q轴电流PI环模块、Repark变换模块、SVPWM占空比计算模块及软件修正模块组成；所述电流重构模块连接Clark变换模块；所述Clark变换模块连接滑模&PLL估算位置速度模块及Park变换模块；所述滑模&PLL估算位置速度模块连接速度PI环模块；所述Park变换模块连接d轴电流PI环模块及q轴电流PI环模块；所述Repark变换模块连接d轴电流PI环模块及q轴电流PI环模块，所述Repark变换模块连接SVPWM占空比计算模块及滑模&PLL估算位置速度模块；所述SVPWM占空比计算模块连接软件修正模块。
3.一种基于硬件的磁场定向控制(FOC)方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)用户通过在线调试工具输入参数信息，CPU直接对电机外设进行参数配置； (2)模拟量采样模块按根据配置方式选择自动采样转换单电阻电流或双电阻电流； (3)电机外设根据模拟量采样模块采集到的电流值，通过运算实现FOC算法； (4)电机外设同时将电机运行的过程数据，通过总线，传回CPU，再通过在线调试工具反馈给用户，便于用户对数据进行跟踪，且相应进行调整； (5)若用户需要调整参数，则会通过在线调试工具再次对电机外设进行参数配置； (6)重复执行第二至第五步。最终达到用户对电机控制的指标要求。
4.根据权利要求3所述一种基`于硬件的磁场定向控制(FOC)方法，其特征在于，所述电机外设根据模拟量采样模块采集到的电流值，通过运算实现FOC算法包括以下步骤: (1)模拟量采样模块按照不同的配置将采样到的单电阻或双电阻采样电流值送入电机外设； (2)电机外设根据配置选择单电阻或双电阻处理方法重构出电机相电流la、Ib； (3)电机相电流la、Ib通过Clark变换模块变换为α、β坐标系下电流Iα、I β ； (4)根据α、β坐标系下电流Ια、Ιβ以及转子位置角Θ通过Park变换模块变换为d、q坐标系下电流Id、Iq ； (5)若速度环使能则计算速度给定值和速度反馈值的PID结果并得到转矩电流参考值，计算完成后产生可屏蔽中断，若未使能中断则后续d轴电流环的参考值为0，q轴电流环参考值为转矩电流参考计算。若使能中断，则d轴电流参考值、q轴电流参考值由软件写入。若速度环未使能，则不计算该环节。 (6)若电流环计算使能则根据当前q轴电流实际值Iq和步骤(5)确定的q轴电流环参考值通过PID计算得到q轴电压Uq。若电流环计算未使能则不计算该环节； (7)若电流环计算使能则根据当前d轴电流实际值Id和步骤(5)确定的d轴电流环参考值通过PID计算得到d轴电压Ud。计算完成后产生可屏蔽中断，若未使能中断则RePark模块中的输入值为计算得到的Ud、Uq，若使能中断则RePark模块中的输入值为软件写入。若电流环计算未使能则不计算该环节； (8)根据步骤(7)得到的RePark模块输入值及转子位置角Θ通过RePark模块计算得到α、β坐标系下的电压Ua、υβ，计算完成后产生可屏蔽中断。若未使能中断，则后续SVPWM占空比计算模块和滑模位置估算模块的输入为计算得到的电压Ua、υβ，若使能中断，则后续SVPWM占空比计算模块和滑模&PLL估算位置速度模块的输入为软件写入； (9)根据得到的电压Ua、Ui3以及α、β轴电流Ια、Ιβ利用滑模及PLL原理通过滑模&PLL估算位置速度模块估算出当前转子位置角及转子转速。计算完成产生可屏蔽中断，若未使能中断，则Park模块及RePark模块所用转子位置角为滑模估算位置角。若使能中断，则Park模块及RePark模块所用转子位置角为软件写入； (10)根据步骤(8 )中得到的电压Ua、υβ，根据SVPWM原理通过SVPWM占空比计算模块计算出三相占空比，计算完成后产生可屏蔽中断。若未使能中断则最终发波所用占空比即为该占空比，若使能中断，则最终发波所用占空比为软件写入。
【文档编号】H02P21/00GK103532457SQ201310430740
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年9月18日 优先权日:2013年9月18日
【发明者】邓学鹏 申请人:东莞博用电子科技有限公司