新手如何学习电机控制无感FOC?

原创 转子磁场定向 2024-03-31 14:06

作为初学者,第一步先打理论基础:

1、理论基础

西安交大王兆安老师的《电力电子技术》。

这本书可以了解电力电子常用器件,如 IGBT\SCR\GTO; 常用拓扑,如BOOST\BUCK; 常用调试方式,如 SVPWM\SPWM等相关内容,作为电力电子行业入门书籍,必读!

入门版本《电力电子技术》

电机学,推荐清华大学出版社出版的刘锦波老师的《电机与拖动》。书中对于直流电机,同步电机,感应电机的设计及控制论述详细,通俗易懂。

电机与拖动

视频推荐华科周理兵老师的版本:

64 同步电机(一)_哔哩哔哩_bilibili

胡寿松老师的版本比较晦涩难懂,但是个人建议优先选择。


自控

陈伯时老师的《电力拖动自动控制系统》。对于FOC控制和环路设计,除了位置和速度观测没有,其他电控相关内容在书中都是有迹可循的。

经典电控书籍

以前我推荐了这四本书,很多读者反馈,看书没有明确的计划,很容易半途而废。

针对同步电机,我列出了我认为的知识重点,拟定了为期2个月的看书计划供参考:

看书计划

2、Simulink基

Simulink作为软件仿真的重要平台,可以快速迭代并验证方法。

对于Simulink,我建议多看看MATLAB的help里自带的例程,就像初学TI看TI官方库例程一样,原厂的例程能够帮助你快速上手入门。

Simulink具体的技能主要是离散仿真的验证,未来的电机应用会逐渐小型化,高功率密度,对成本越来越敏感。

哪怕是车上的应用,从这一点来说,芯片会越来越抠功能,增加成本又多余功能会被舍弃。自动代码生成可能只在主驱,ECU,风电,光伏等基于MBD开发的场景使用,更大规模的是定点加手写代码,提高代码的执行效率。

所以Simulink自动代码生成,目前来看,对工业级和消费级应用并不多,手写代码为主的话,可以考虑离散仿真,或者把手写代码放到离散模块里仿真。

3、硬件技能

我个人认为,硬件方面,我还是比较熟悉的。做软件需要用到的硬件技能包括:

BUCK电路设计;

LDO发热评估;

电流采样电路分析、输出采样,下桥臂采样,单电阻/双电阻;

ADC采样分析,比如采样保持转换时间、通道序列;

MOS和IGBT驱动电路分析,选型,发热评估;

保护功能设计及评估,比如过载,堵转,缺相,过流等;

强电部分和控制电路的连接;

以上是不同应用下,需要的基本技能,用于辅助项目开发提速。

4、控制技能

控制技能涉及的就比较多了,具体包括:

MCU或者DSP底层配置,包括ADC采样,PWM发波,brake保护及复位,中断触发;

总线配置及调试,主要是UART,或者要求高的场合用CAN,有些应用需要I2C

FOC基本原理,基于转子磁场定向,数学模型,坐标变换,星三角转换;

电流采样运放配置,和保护、ADC采样触发关联;

电流环、速度环、弱磁、功率环设计;

基于无感位置观测,或者霍尔、编码器角度解析,速度计算;

伺服要考虑系统刚性,末端振动抑制;

伺服的低速齿槽转矩补偿,轨迹规划,s曲线,smoothing

增量式编码器的初始位置校准;

离散化代码实现及真实值、标幺化相互转化;

离线参数辨识,包括定子电阻,电感,磁链,惯量等。

SVPWM过调制边界,这是个多问题耦合的点,涉及弱磁,单电阻或者双电阻采样;

初试位置辨识,打脉冲或者强拉起步;

MTPA,MTPV,这个主题又和弱磁相关联;

死区补偿的设计,涉及电压重构,低速观测精度;

离散化补偿,尤其高速下,因为低开关频率导致的离散误差,进而角度误差增大。

5、试验调试

实验是检验真理的唯一标准,这是我从业十余年信奉的唯一准则。

一直坚持知行合一,所以我的建议是实践和理论一定要紧密结合,相互迭代。

初学者最好有项目练手,一定要多动手多做实验,多积极总结。

电机的学习进步没有那么快,也没有什么捷径。

初学者普遍的几个现象:

5.1 觉得自己都搞过了,什么都会了。缺乏理论基础,没有环路的概念;依然用BLDC换那一套思维来分析FOC。

5.2 觉得电机控制很成熟了,没有搞头。未来电机是逐渐小型化,高效率化。将会有大量的项目需求,很多客户并没有设计能力,所以需要依托原厂,控制器厂商把电机项目落地。

另外来说,技术发展空间小,并不代表项目能成熟落地,能把项目稳定量产,再考虑行业是否成熟这个问题。

5.3 硬件搞过,软件搞过,就觉得自己是全栈了

全栈这个概念没有任何意义。客户不会因为你是全栈,就为你买单,买你的产品。客户看重的是你能不能把项目落地,品质如何。打工也一样,全栈只会让你事更多,无法专注提升自己。并且工作种类太多,个人精力有限,能否高质量完成工作,也要打个问号。

其他工程师专注于自己的领域,打杂打得太多会迷失自己的方向。

哪怕是自己创业,我也推崇团队>个人,一个人不可能完全全部的工作,这种模式是不可持续的。

搞电机的进步相对见效慢,一定要有耐心沉下心来踏踏实实钻研,不是靠一时的风口起飞。


初学的知识点初步总结包括以下内容:

基础技能树

打好了理论基础后,通过实物来转电机了,先从基础的发波开始。

1、通过 SVPWM 发50%占空比,先不接电机、测试实际输出的 Vds,线电压,端电压是否正常。可以验证发波逻辑,硬件电路是否正常。

2、弄清楚 ADC 采样点和触发逻辑,接上电机,发小的占空比,输出相电路必须是直流。按照电流流入电机是+的极性规则,查看 ADC 采样是否准确。包括电流相序、极性都必须验证。

3、ADC 对电流,直流电压采样准确的前提下,给定角度,验证坐标变换模块是否正常。

4、坐标变换正常,下一步固定零电角度,Id给小电机,Iq=0,验证电流环是否正常工作。

5、在电流环正常工作的情况下,说明PI计算也没问题。

6、强拖起步,电角度由参数速度积分获取,在保证缓慢爬升的基础上让电机空载转起来。在这个过程中,旁路跑观测器,但是无感估算的结果不用于控制。无感估算的速度必须跟当前电机速度匹配,进而验证无感估算是否正常工作。

7、在无感估算正常的前提下,强拖到了一定速度,就可以切换到无感估算模式,进行FOC控制。

调试步骤

以上即是FOC调试的基本步骤,是目前最常见的一套强拉切换FOC的基本流程。

FOC估算最常用的便是滑膜,而强拉最常用的模式是I-f。通过以上步骤,可以把电机空载转到最大转速。

完成以上步骤了,就可以考虑用风机这一类的带载的应用,因为风机的负载和速度的平方成比例,低速负载较小。速度越高,负载越大。

对于研究生学习FOC阶段,建议先完成以上步骤。最重要的就是理论基础到一定程度必须有实操,通过实操积累项目经验。把项目实际落地是最重要的能力,踏踏实实先完成以上步骤,这也是我认为的FOC基础学习阶段的主要内容。

等把以上内容玩得很6了再考虑下一步,说起来容易做起来难,尤其没有人手把手教的情况下完成上述步骤还是需要花很大精力。遇到挫折没人带也容易放弃,相信时间的力量。



如果自学没有头绪,那么推荐本人结合十余年工作经验开发的转子磁场定向FOC基础班课程学生可以打九折哦。提供完成开源的代码,开发板,仿真器,电机,长期有效视频和课件。还有持续性答疑

公开课视频:


课程海报

demo板如下:

课程demo板

具体课表如下:

基础班课表1

基础班课表2

基础班课表3

和市面的培训机构相比,我觉得这门课程最大的特点在本人并非专职培训机构,作为国产MCU和MOS方案商,本人有十余年一线量产项目开发经验,积累了工程应用最宝贵的东西!

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转子磁场定向 十余年FOC开发经验,精通永磁同步电机和三相异步电机无感FOC控制。
评论
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