意法半导体对外公开的最新版PMSM电机控制培训资料
意法半导体对外公开的最新版PMSM电机控制培训资料
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PMSM FOC – 框图
Gate drivers
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Power Bridge IPM/Discrete
Motor
va,b,c
BKIN
Current sensors: 3shunt/1shunt/ICS
DC V – TEMP
Speed sensors: Sensorless, Hall, Encoder
• Encoder
• 成本较高，一般适用于伺服控制
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• Hall
• 成本较低，一般适用于马达静止或低速下也要求额定扭矩的应用
• Sensorless
• 高频注入算法 – HFI
• 适用于凸极马达（IPMSM，Ld<Lq） • 能实现马达转子位置的精确检测，即使在 静止或低速下 • 仅STM32F3和STM32F4系列支持
Φr
Te maximized if…
t
STM32 PMSM FOC SDK v3.2 29/10/2014
PMSM FOC 简介:坐标系转换
• clarke 变换: ia,ib,ic (120º) 转换为 iα,iβ(90º); (假设ia+ib+ic=0)，交流->交流：
iα = ias iβ = − ias + 2ibs 3
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• ST马达控制论坛： https:///public/STe2ecommunities/ motordriver_ics/default.aspx
STM32 PMSM FOC SDK V4.0 新特性
新特性
• 新的架构 • Workspaces and projects(IAR EWARM/KEIL) • 若干个软件库使用例程 • MC Applications(State machine, Tasks) • Light/Full LCD 界面 • 快速单向/双向串口通讯 • Workbench 新特性(无传感器起动,例子,帮助文档关联,PFC) • 高频注入无传感器算法
电动车用PMSM的快速转矩电流响应控制方法
电动车用PMSM的快速转矩电流响应控制方法
王珏;黄守道;高剑;李源源;胡敬伟
【期刊名称】《微特电机》
【年(卷),期】2015(043)001
【摘要】电动车用PMSM控制要求具有一定的抗负载扰动的能力,在分析了PMSM数学模型和传统的控制方法的基础上,深入探究了限制PMSM转矩电流响应速度的因素.针对转矩电流响应速度不理想的问题,提出了利用动态过程中的无功电流对限制转矩电流响应速度的电机定子反电动势进行补偿,提高动态响应能力.仿真结果表明,提出的快速转矩电流响应控制方法具有更好的动态响应能力,有助于克服负载扰动.
【总页数】4页(P54-57)
【作者】王珏;黄守道;高剑;李源源;胡敬伟
【作者单位】山东电力集团公司烟台供电公司,烟台264000;湖南大学,长沙410082;湖南大学,长沙410082;湖南大学,长沙410082;湖南大学,长沙410082【正文语种】中文
【中图分类】TM351;TM341
【相关文献】
1.电动汽车用IPMSM直接转矩控制系统效率优化 [J], 邱鑫;黄文新;卜飞飞;杨建飞
2.电动汽车用PMSM直接转矩控制电压矢量选择策略 [J], 李耀华;刘晶郁;张德鹏;关家午;蔡红民
3.电动汽车用内置式永磁同步电动机精确转矩控制方法 [J], 朱元;武四辈;吴志红;陆科
4.电动汽车用PMSM最大电流测试的零转矩测试方法 [J], 马凯;王斌;黄炘;高继东
5.PMSM调速系统中最大转矩电流比控制方法的研究 [J], 李长红;陈明俊;吴小役因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
PMSM转子初始位置检测分析及起动策略
PMSM转子初始位置检测分析及起动策略王要强;马小勇;程志平;张志强【摘要】为准确获取永磁同步电机(PMSM)转子初始位置信息,实现电机的平稳起动,提出一种PMSM转子初始位置检测方法和基于增量式编码器的PMSM起动策略.从定子电流矢量的角度预定位PMSM转子,并导出定子电流矢量的产生方法,获取确定的转子位置信息.在此基础上,提出基于转子预定位的PMSM起动策略,并在起动过程中完成增量式编码器的校正.结果表明,所提起动策略可以准确检测转子的初始位置,实现电机的平稳起动与可靠运行.【期刊名称】《电力自动化设备》【年(卷),期】2016(036)009【总页数】7页(P156-161,168)【关键词】永磁同步电机;转子初始位置;起动策略;编码器校正【作者】王要强;马小勇;程志平;张志强【作者单位】郑州大学电气工程学院,河南郑州450001;郑州大学电气工程学院,河南郑州450001;郑州大学电气工程学院,河南郑州450001;郑州大学电气工程学院,河南郑州450001【正文语种】中文【中图分类】TM3510 引言永磁同步电机PMSM（Permanent Magnet Synchronous Motor）具有功率密度高、结构简单以及调速性能好等优点，在工业领域得到了广泛的应用［1-3］。
为了完成永磁同步电机的转速和转矩控制，需要得到精确的PMSM转子位置［4］。
目前PMSM转子位置获取方式主要包括有位置传感器和无位置传感器2种。
前者依靠位置传感器完成转子位置检测，后者通过电流、电压信号估算出转子位置。
基于无位置传感器的电机转子位置获取方法可以降低系统成本、提高系统可靠性［5］，近年来得到了国内外学者的广泛关注。
但由于无位置传感器方法存在算法较为复杂［6-7］、在电机静止或低速时不能准确检测转子的位置［8］且对电机参数依赖性强［9］等问题，目前有位置传感器的转子位置检测方法仍处于主流的地位。
对于有位置传感器的PMSM转子位置检测方法，常用的传感器主要有旋转变压器、绝对式编码器和增量式编码器等。
意法半导体电机控制参考指南说明书
电机控制3 意法半导体电机控制生态系统4 PMSM & BLDC电机8 3相感应电机（ACIM）12 步进电机14 直流有刷电机16 通用电机18 开关磁阻电机19 微控制器25 STM32电机控制生态系统29 电机驱动器IC39 电源模块44 功率MOSFET46 IGBT47 600-650 V IGBT系列48 1200 V IGBT系列49 二极管 & 整流器50 晶闸管、双向可控硅和交流开关 52 MOSFET和IGBT栅极驱动器56 碳化硅和氮化镓栅极驱动器58 信号调理ST对电机控制的承诺推进了环保革命。
在环保革命理念的指引下，电机控制正向着更高效电机和驱动器的方向快速发展。
此外，为了支持新技术的市场占有率，需要以最低成本提高集成度，同时提升安全性和可靠性。
ST致力于电机控制方面的研究已有20余年，是最早意识到这些趋势的公司。
意法半导体正通过一系列的创新突飞猛进，诸如集成式智能功率模块和系统级封装、单片式电机驱动器、快速高效的功率开关、具有电压暂态保护功能的可控硅、以及功能强大且安全的微控制器等。
无论您使用哪种电机技术（从传统的和坚固的，到最现代的和最高效的），ST都能够提供合适的电子器件和完整的生态系统（包括一系列评估板、参考设计、固件和开发工具），以简化和加速设计流程。
保持最新资讯更多信息和最新材料，请访问ST网站的控制应用页面http:///motorcontrol3意法半导体电机控制PMSM &永磁同步电机和直流无刷电机因其更高效、运行更安静、更可靠等优点，正在越来越多的应用中替代直流有刷电机。
尽管结构不同，但所有三相永磁电机（BLDC、PMSM或PMAC）都是由脉冲宽度调制（PWM）的三相桥（三个半桥）驱动，以便采用频率幅度可变的电压和电流为电机供电。
为了提供最高水平设计灵活性，ST的产品组合包括面向高压和低压应用的特定产品，如单片驱动IC、功率MOSFET、IGBT、栅极驱动器、功率模块和专用微控制器，用于满足广泛的应用需求。
PMSM和BLDC电机演示幻灯片
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?PMSM和BLDC电机的结构
? 转子 转子采用永磁体，目前主要以钕铁硼作 为永磁材料。 采用永磁体简化了电机的 结构，提高了可靠性，又没有转子铜耗， 提高电机的效率。
2)不计电动机中的涡流和磁滞损耗；
3)转子无阻尼绕组。
永磁同步电动机在三相定子参考坐标系中的数学
模型可以表达如下：
定子电压： us
?
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定子磁链： ?
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电磁转矩：
Te
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?PMSM 和BLDC 电机的工作原理
永磁同步电动机在? ? ? 坐标系中的数学模型可
KT
375
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Ea (s)
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BLDC电动机动态结构图
n()s
? K1 U ()s 1? Tes
?
1
K2 ? Te
s
TL
K 1 ：电动势传递系数，K1 ?1/ Kr； K 2 ：转矩传递系数， K2 ? R/ KeKT； Te ：电磁时间常数， Te ? RGD2 / (375KeKT )。
内容提要
? PMSM和BLDC电机的特点 ? PMSM和BLDC电机的应用范围 ? PMSM和BLDC电机的结构 ? PMSM和BLDC电机的工作原理 ? PMSM和BLDC电机的控制策略 ? PMSM电机的FOC控制策略
1
基于STM32的 PMSM FOC软件库培训_1
Mar ‘08 10
基于STM32的 PMSM FOC软件库培训
NVIC 寄存器
中断输入的每个通道由几个寄存器控制，包括：
使能/禁止位
使能/禁止中断 该控制位可置1，清0或被读
中断请求位
可通过令中断请求位置1来实现中断请求
一个中断请求只有在其被使能且优先级最高时才响应
迟来中断须重新ISR预取, 但处理器状态保存不需重复.
退出
处理器状态自动从堆栈恢复 同时, 被中断的指令被预取，一旦堆栈POP结束，其马上执行 堆栈POP可被中断, 允许新的ISR马上执行，不需要处理器状态保 存到堆栈中。
基于STM32的 PMSM FOC软件库培训
MCU Application Great China
中断优先级
每个中断有4个优先级位 4个优先级位分为抢占式优先级位及非抢占式子优先级位
非抢占式子优先级位只有在抢占式优先级相同时才起作用 NVIC寄存器的PRIGROUP域定义了抢占式优先级位（“group-priority”）的位数和非抢 占式子优先级位（“sub-priority”）的位数 Group priority 定义抢占式优先级
CH1 CH1N
CH1 CH2 CH3 CH4
Capture Compare Capture Compare Capture Compare Capture Compare
CH2 CH2N CH3 CH3N CH4
BKIN
基于STM32的 PMSM FOC软件库培训
MCU Application Great China
Mar ‘08 9
Highest
中断响应 - Tail Chaining
基于STM32的 PMSM FOC软件库培训_2
Te =
3 p Φ m iq s 2
(
)
而且，如果需要在弱磁控制区域运行，逆变器必须有刹车电阻或再 生发电能力(昂贵的4象限AC-DC,..)
基于STM32的 PMSM FOC软件库培训
MCU Application Great China
Mar ‘08
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深入：弱磁控制 2/3
“转矩及磁链控制器” (FOC速度控制) 实时地提供：目标交轴电流 iq ( 通 过 一 个 PID 调 节 器 实 现 ) 及 目 标 直 轴 电 流 id ( 通 过 查 MC_PMSM_Motor_param.h中的数据表实现)，以此来逼近目标 转速。 该头文件由电子表格产生，在该表格中，需要填写如下参数： 逆变器交流输入电压; Rs,马达绕组电阻; Ls,马达绕组电感; Ke,马达反电动势常数; p, 极对数; In, 马达额定电流(< 逆变器额定电流); MMI (它是PWM频率的函数).
基于STM32的 PMSM FOC软件库 培训
MCU Application Great China
蒋建国
Shanghai, March,2008
Plan
直流无刷马达介绍 FOC 基础 Clark及Parke坐标系转换 Circle limitation 磁链及力矩控制器 电流读取
3电阻法 电流传感器法
电机控制技术 05
上述结论的解释:
弱磁升速过程中的约束条件: (1)外加电压保持不变, (2)定子绕组电流维持额定值
Байду номын сангаас
图10.10基速以上弱磁控制时的转矩-转速曲线 图10.9正弦波表面永磁同步电动机的相量图 (弱磁控制时)
2、正弦波内置永磁PMSM
根据相量图10.5,得内置永磁PMSM电磁转矩的另一种表达式， 过程如下： P1 mUI a cos mUI a cos （ ） （10-7） mU ( I cos I sin ) 输入功率： q d
起动过程中的各种电磁转矩:
异步起动转矩 Tem 单轴转矩 Tem (由转子永磁体与其在定子绕组中的感 发电制动转矩 Tem 应电流相互作用产生)
5.4PMSM的控制方法
1、正弦波表面永磁同步电动机
根据相量图10.3,可得:
输入功率: 电磁功率: 电磁转矩:
P1 mUI a cos mI a ( E 0 cos ra I a )
• I d 0 的控制方案； • 最大 Tem / I a 的控制方案 ； • 弱磁控制方案；
（1） I d 0 的控制方案：
此时，电磁转矩为：
Tem mp f I q
结论：
在这种控制方式下，与表面永磁PMSM相同，正弦内置永磁 PMSM也可通过控制电枢电流的幅值调整电磁转矩，获得类似于直 流电动机的调速性能。
Tem Pem mp[ f I q ( Ld Lq ) I d I q ] 1 mp[ f I a cos ( Ld Lq ) I d I q ]
2
2
2
电磁转矩：
（10-8）
Ld Lq ，得内置永磁PMSM的几种常用的控制方案如下： 根据式（10-8）和结构特点：
电机及其控制器系统知识培训分解共33页文档
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0
、
倚
南
窗
以
寄
傲
，
审
容
膝
之
易
安
。
谢谢你的阅读
❖ 知识就是财富 ❖ 丰富你的人生
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
文 家 。汉 族 ，东 晋 浔阳 柴桑 人 （今 江西 九江 ） 。曾 做过 几 年小 官， 后辞 官 回家 ，从 此 隐居 ，田 园生 活 是陶 渊明 诗 的主 要题 材， 相 关作 品有 《饮 酒 》 、 《 归 园 田 居 》 、 《 桃花 源 记 》 、 《 五 柳先 生 传 》 、 《 归 去来 兮 辞 》 等 。
电机及其控制器系统知识培训分解
6
、
露
凝
无
游
氛
，
天
高
风
景
澈
。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
7、翩翩新 来燕，双双入我庐 ，先巢故尚在，相 将还旧居。
8
、
吁
嗟
身
后
名
，
于
我
若
浮
烟
。
9、 陶渊 明（ 约 365年 —427年 ），字 元亮， （又 一说名 潜，字 渊明 ）号五 柳先生 ，私 谥“靖 节”， 东晋 末期南 朝宋初 期诗 人、文 学家、 辞赋 家、散
PMS(计划检验体系)培训教材(试用)
前言计划保养系统（下称PMS）首先是从欧洲一些航运管理公司推行的。
通过多年的实施，对船舶保养、延长设备使用寿命、提高船舶安全水平起到了良好的作用。
PMS的实施体现船舶管理的水平，也是船东的保养体系和船级社检验有机的结合。
原来船东对船舶建立保养体系仅局限在对船舶设备制定保养计划。
随着计划和体系的不断完善，船东对设备的控制已经包括甚至超过了船级社检验的要求，与船级社合作是必然的结果，将船级社的项目有针对性地建立联系，列入他们的保养计划中，从而减少了船舶在验的时间，也减少了验船师工作的强度，争取了航运时间，提高了工作效率。
国际船级社协会注意到船东保养体系的不断完善和实施效果，逐步改变原有观念，接受“以养代检”的方式，首先在70年代开始全球推行“轮机循环检验（CMS）”制度，将特别检验项目分解到周期内的各个年度进行，充分与航运公司的维修保养体系接轨和配合。
此项工作取得良好的效果，一是将对设备的检验“化整为零”，及时发现设备的缺陷和隐患，二是将部分项目委托船上轮机长进行，大大节省了修船时间，保养工作更加有针对性。
随着航运公司保养体系的日趋完善，IACS在1989年提出了PMS的检验模式。
进一步地将检验和保养相结合，也将设备的技术状况判别权力下放到有资格的轮机长。
中国船级社作为IACS正式成员，在1996年钢质海船入级和建造规范中（以下简称钢规）引入了PMS要求。
通过多年研究的CWBT在1996年被采纳作为国家标准GB/T16558.1-16558.7-1996船舶维修保养体系。
这是交通部七.五科研的重要成果,并且在中国远洋运输公司和上海海运集团公司进行了广泛推广,推广项目在1997年7月被交通部科技司验收。
1997年中国远洋运输公司向交通部科技司提出“船舶机械计划保养（PMS）推广项目报告”。
中国船级社和有关但单位共同推广PMS。
1997年12月9日开始成立领导小组、工作组、办公室和编审委员会。
从而使CWBT和PMS有机结合，取得更大的经济效益。
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• 成本较高，一般适用于伺服控制
12
• Hall
• 成本较低，一般适用于马达静止或低速下也要求额定扭矩的应用
• Sensorless
• 高频注入算法 – HFI
• 适用于凸极马达（IPMSM，Ld<Lq） • 能实现马达转子位置的精确检测，即使在 静止或低速下 • 仅STM32F3和STM32F4系列支持
Speed Control
vabc
Space Vector PWM
Current Control
i q*
MTPA & FLUX WEAKENING CONTROLLER
+
PID
-
vqs vds
vαβ
REVERSE PARK + circle limitation
i d*
+
θr el
PID
-
Te*
PID
iqd
PARK
iαβ
θr el
ROTOR SPEED/POSITION FEEDBACK
ωr*,t
-
RAMP GENERATOR
wr*
+
iabc
CLARKE
PHASE CURRENTS FEEDBACK
STM32 PMSM FOC SDK v3.2
29/10/2014
Dual PMSM FOC – 框图
HFI Max FOC * F3~30kz F4~50kz Max FOC Dual * F3~27kz F4~45kz
Sensorless
STO+CORDIC
ICS FreeRTOS F103,F2xx Max FOC* ~23 kHz
Encoder
Hall
*：在sensorless模式下
STM32 FOC 性能指标
• 2个马达 × 3种转子位置检测方式 × 3种相电流的采样方式
算法集及MCU 支持
ST MC FOC SDK V4.0
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STM32F3xx F4xx STM32F103x HD/XL F2x STM32F103x LD/MD STM32F100x,STM32F0xx
1shunt Flux Weakening IPMSM MTPA Feed Forward Sensorless
更多关于STM32 PMSM FOC SDK的信息
• SDK V4.0软件包：请向ST MCU 市场工程师申请 • 帮助文档：在SDK V4.0的安装目录中
• UM1052：STM32F PMSM single/dual FOC SDK v4.0 • UM1053：Advanced developers guide for STM32F MCUs PMSM single/dual FOC library • UM1080：Quick start guide for STM32F PMSM single/dual FOC SDK V4.0
User Interface: • Serial communication with PC • SWD debug/program • SPI interface for DAC • Speed reference input/motor speed output • LED: indicates the fault status
• ST专利的算法 • 仅需要1个电阻/运放：成本较低 • 电流采样算法可能会带来力矩纹波
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• 3-SHUNT：采样电阻放在3个下桥臂上
• 电流采样精度高 • 不会有电流纹波产生
• ICS：2个隔离的电流传感器
• 放在A/B相绕组上 • 适用于相电流较大的场合：无功耗 • 成本较高
• 转子位置检测与相电流采样方式可任意组合：
• State Observer + PLL
• 基于马达的BEMF，使用相电流及相电压估计 马达转子的位置 • 适用于马达的转速范围：额定转速的5% - 100%
• State Observer + CORDIC
FOC SDKV4.0的配置 2/2
• 相电流采样支持：
• 1-SHUNT：采样电阻放在DC BUS上
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• ST马达控制论坛： https:///public/STe2ecommunities/ motordriver_ics/default.aspx
STM32 PMSM FOC SDK V4.0 新特性
新特性
• 新的架构 • Workspaces and projects(IAR EWARM/KEIL) • 若干个软件库使用例程 • MC Applications(State machine, Tasks) • Light/Full LCD 界面 • 快速单向/双向串口通讯 • Workbench 新特性(无传感器起动,例子,帮助文档关联,PFC) • 高频注入无传感器算法
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整合：软件库 + 产品(MCU、功率器件等) + 应用
高端应用， 高端应用，单/双马达控制
FOC:高动态性能 高频注入法(HFI)无传感器算法 低CPU负荷，大部分时间用于应 用软件上 • 同时控制2个马达 FOC MC FW lib 中/低端应用 要求： • FOC矢量控制对马达进行高效控 制 • 降低马达的噪音：正弦波电流 • 硬件成本优化：1-shunt电流采 样，无传感器算法 • • •
vα = vqs cos θ r + vds sin θ r vβ = −vqs sin θ r + vds cos θ r
FOC的优点
• 由于电流的相位始终与转子位置同步，大大提高了马达的效率，即使 在动态瞬间也能如此 • 由于电流的励磁和力矩在解耦后可分别直接控制，其速度控制能快速 地响应马达的负载变化 • 由于电流的励磁和力矩在解耦后可分别直接控制，可精确地控制马达 的转子位置 • 由于相电流为正弦波，可降低马达的运行噪音
STM32 PMSM FOC SDK V4.0 Motor Control training Day1
蒋建国 MCU Application
Agenda
• STM32 PMSM FOC SDK V4.0概述 • 工具：IDE，GUI，demo 板 • SDK V4.0：使用体验 • HFI(High Frequency Injection): 理论概述 • HFI：软件参数调整及马达调试
• 必须读取定子的电流（1-shunt/3-shunt/ICS） • 必须读取转子的位置及速度（Encoder/Hall/Sensorless算法） • 电流的实时控制（PI/D）：
• 不容易控制：高频正弦参考值、幅值的调制及与转子磁链的耦合 • 通过参考坐标系的转换来简化耦合问题
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Φs
90 90 elel
• 安装在转子表面：SM-PMSM • 内嵌在转子中：I-PMSM
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• 定子中的激励信号的相位/频率必须与转子的位置 与速度同步 • 转动的转子会在定子绕组中感应出正弦的 反电动势电压 • 以正弦的电流驱动马达会得到最好的性能 （无力矩纹波）
PMSM FOC 简介
• Field Oriented Control: 定子电流的幅值和相位相对于转子的磁链独立 控制，因此：
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Workspaces & Projects
• 共13个Workspace对应不同的MCU系列、IDE及时基
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马达控制评估板
STM32Fxx MC KIT
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控制信号连接器
• 特点：
• PMSM FOC 控制 • Sensor/Sensorless
• • • Hall Encoder Sensorless
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STM32 PMSM FOC SDK V4.0概述
STM32 PMSM FOC SDK V4.0
• SDK V4.0软件包包含：PMSM FOC 固件库和ST MC Workbench(GUI)， 允许用户使用STM32进行单或双PMSM马达的FOC的驱动，其支持 STM32F0xx, STM32F1xx, STM32F2xx, STM32F3xx及STM32F4xx
Φr
Te maximized if…
t
STM32 PMSM FOC SDK v3.2 29/10/2014
PMSM FOC 简介:坐标系转换
• clarke 变换: ia,ib,ic (120º) 转换为 iα,iβ(90º); (假设ia+ib+ic=0)，交流->交流：
iα = ias iβ = − ias + 2ibs 3
Current sensors: 3shunt/1shunt/ICS
Power bridge2
Speed sensors: Sensorless, Hall, Encoder
STM32 PMSM FOC SDK v3.2 29/10/2014
FOC SDKV4.0的配置 1/2
• 速度及位置检测支持：
Gate drivers
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Power bridge1
Motor1
va,b,c
BKIN
Current sensors: 3shunt/1shunt/ICS
ωr*1 ωr*2
Speed sensors: Sensorless, Hall, Encoder
BKIN
Motor2
va,b,c
Gate drivers
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BKIN
Fan
va,b,c
Gate drivers
Current sensors: 1shunt / 3-shunt
Sensorless
Power bridge