矢量控製(FOC)是(shi)空(kong)間(jian)矢(shi)量(liang)脈(mai)寬(kuan)調(tiao)製(zhi)最(zui)重(zhong)要(yao)的(de)應(ying)用(yong)之(zhi)一(yi)。矢(shi)量(liang)控(kong)製(zhi)，又(you)名(ming)磁(ci)場(chang)定(ding)向(xiang)控(kong)製(zhi)，其(qi)特(te)點(dian)是(shi)通(tong)過(guo)坐(zuo)標(biao)變(bian)換(huan)技(ji)術(shu)把(ba)交(jiao)流(liu)電(dian)機(ji)定(ding)子(zi)電(dian)流(liu)分(fen)解(jie)為(wei)轉(zhuan)矩(ju)和(he)磁(ci)通(tong)分(fen)量(liang)

，從(cong)而(er)實(shi)現(xian)像(xiang)直(zhi)流(liu)電(dian)機(ji)一(yi)樣(yang)的(de)控(kong)製(zhi)電(dian)機(ji)的(de)輸(shu)出(chu)轉(zhuan)矩(ju)和(he)磁(ci)通(tong)。矢(shi)量(liang)控(kong)製(zhi)廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)於(yu)永(yong)磁(ci)同(tong)步(bu)電(dian)動(dong)機(ji)(PMSM)的控製。

 

目前市場上較為常用的FOC方案會采用DSP、ASIC或通用MCU進行控製。DSP運算能力高，實時性強，常用於FOC控製，但存在著成本較高的缺點。ASIC將FOC固化在芯片內部，無需編程，但會帶來算法無法修改
、不夠靈活的缺點。通用MCU種類較多，平台複雜。常用的幾種方案一般至少還需要2個外部運放完成電流采樣。

 

另外還有一種基於PSoC4的方案
，該方案利用PSoC4內部豐富的數字及模擬資源及獨有的可編程特性可實現高度集成化
、低成本的矢量控製。圖1顯示了PSoC4矢量控製(無傳感器)硬件控製框圖。PSoC4內部集成四個獨立的可支持中央對齊、互補的可編程死區及同步ADC操作的TCPWM模塊，可用於SVPWM輸出；一個支持零開銷通道切換功能的12位1Msps ADC，用於電流采樣
；兩個支持比較器模式及SAR ADC輸(shu)入(ru)緩(huan)衝(chong)功(gong)能(neng)的(de)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)，可(ke)省(sheng)掉(diao)兩(liang)個(ge)外(wai)部(bu)運(yun)放(fang)。豐(feng)富(fu)的(de)片(pian)內(nei)資(zi)源(yuan)可(ke)將(jiang)矢(shi)量(liang)控(kong)製(zhi)主(zhu)控(kong)電(dian)路(lu)所(suo)需(xu)芯(xin)片(pian)集(ji)成(cheng)到(dao)一(yi)片(pian)芯(xin)片(pian)中(zhong)
，實(shi)現(xian)高(gao)度(du)集(ji)成(cheng)化(hua)。

圖1：PSoC4 無傳感器FOC硬件控製框圖。

 

 

1. 采用高性價比的Cortex-M0內核。Cortex-M0是市場上現有的最小、最節能的ARM處理器，代碼占用空間小，能以8位處理器的價格獲得32位處理器的性能，可明顯節約係統成本。

 

2. 內部集成兩個支持比較器模式及SAR ADC輸入緩衝功能的運算放大器。目前市場大部分解決方案均需外部運放完成電流采樣
，采用PSoC4可從係統BOM表中移除外部運放，減少係統成本。

 

3. 內部集成兩個低功耗比較器
，可用於硬件保護或錯誤信號處理。市場常用解決方案大部分采用外部比較器完成此功能。采用PSoC4可進一步減少BOM，降低成本。

 

4. 減少PCB空間及BOM成本。

 

5. 固件IP保護。PSoC提供了極強的軟件/硬件IP保護能力，這對電機應用尤其重要。

 

6. 靈活的通訊接口。PSoC特殊的可編程架構提供了極為靈活的通訊接口，可滿足各種應用的需求。

 

 

SVPWM是近年發展的一種比較新穎的調製方法，是由三相功率逆變器的六個功率開關元件組成的特定開關模式產生的脈寬調製波
，能夠使輸出電流波形盡可能接近於理想的正弦波形。與電壓正弦PWM不同
， SVPWM法是從電機的角度出發的
，著眼於如何使電機獲得幅值恒定的圓形旋轉磁場，即正弦磁通, 模型構造簡單
，便於數字化實現。與傳統電壓正弦PWM相比，該控製方法具有使得電機轉矩脈動降低、電流波形畸變減小、直流電壓利用率提高的優點。

 

圖2是一種典型的三相逆變器的結構
， Va, Vb,Vc是逆變器的電壓輸出
，Q1到Q6是6個功率晶體管
，它們分別被a，a’
，b

，b’，c，c’這6個控製信號所控製。當逆變橋上半部分的功率管與下半部分的功率管為互補關係，即當a為1時，a’為0。
 

圖2：三相逆變器結構圖。

 

從圖3可以看出
，開關變量矢量[a，b，c]有8個不同的組合值，即逆變橋上半部分的3個功率晶體管的開關狀態有8種不同的組合，故其輸出的相電壓和線電壓有8種對應的組合。開關變量矢量[a
、b、c]與輸出的線電壓和相電壓的對應關係見表1。
 

圖3：基本電壓空間矢量。

 

在(α,β)坐標係中
，輸出的三相線電壓可以用下麵等式表示：

由表1可知，功率晶體管的開關狀態的組合一共隻有8個
，則在(α,β)坐標係中的Vsα
、Vsβ也有8種組合。Vsα、Vsβ是空間矢量分解得到的子軸分量
，它們的對應關係如表2所列。由此可得到8個基本電壓空間矢量，分別為 U0, U60,U120,U180, U240, U300, 0000和0111。其中0000和0111為零矢量。這六個非零基本電壓空間矢量將(α,β) 坐標平麵分為六個扇區，如圖3所示。

 

由8個基本電壓空間矢量可以合成任意定子電壓矢量。如圖4所示，以U0, U60扇區為例，若在一個PWM周期T內，同時輸出T1時間U0矢量和T2時間的U60矢量，則由矢量(T1/T)U0，(T2/T)U60可以合成給定的參考電壓矢量Uout。

圖4：由基本電壓空間矢量合成的子電壓矢量。

 

 

因此
，

可得 T1 ，T2

由此可知SVPWM實現步驟：先通過Uout判斷出電壓矢量所在扇區，再根據相鄰的電壓矢量及Uout計算出兩個基本矢量作用時間；最後根據兩個基本矢量作用時間計算出PWM開關時間及占空比。

 

 

我們使用TCPWM模塊來實現SVPWM。TCPWM模塊提供了電機控製常用的中央對齊
、邊沿對齊PWM，並可實現嚴格的同步功能。支持靈活的死區控製，並可與ADC同步。TCPWM包括四個16位的周期長度用戶可編程的計數器，這些計數器之間可以進行功能同步。每個模塊包含一個捕獲寄存器、yigezhouqijicunqiyijiyixiebijiaojicunqi。meigemokuaidouzhichihubudekebianchengdesiqu，haizhichiyigeguanduanshuruxinhaolaiqiangposhuchuxinhaojinruyuxianshedingdezhuangtai。

 

如圖5所示，從PSoC Creator中拖放三個TCPWM模塊，配置TCPWM的工作模式為中央對齊
，帶死區的雙路互補輸出模式。三對PWM輸出可分別作為U、V和W相橋臂驅動信號(如PWM_U_Upper, PWM_U_Lower)。同時在任一TCPWM模塊的UN事件輸出(下溢信號，用來指示計數器向下計數達到“0”)觸發PWM中斷(PWM_MainLoop_ISR)
，用於進行FOC計算並更新占空比。
 

圖5：三相PWM原理圖。

 

“PWM_UPDATE”信號可在UN事件時觸發TCPWM的Switch事件

，周期和比較寄存器上的值會自動與緩存周期和比較器寄存器的值更換。利用此特性
，我們可以在TC事件之前更新緩存寄存器
，然後用同一信號觸發不同PWM的Switch事件，由此保證各路PWM更新的嚴格實時同步。

 

圖中的控製寄存器(PWM_Ctrl_Reg)還可以同時使能或禁止六路PWM輸出。PSoC靈活的可編程特性可輕鬆實現了三對嚴格同步的互補對稱PWM及其更新邏輯
，這樣可以使工程師將更多的時間專注於算法層麵


，提供產品的競爭力。

 

主控程序首先會初始化和配置PSoC4的內部資源，然後進入主循環。主循環主要檢測用戶的起停命令
，決定電機的運動狀態；並完成一定的調試輸出功能。FOC主算法全部在PWM中斷中完成，主要完成坐標變換，SVPWM輸出及更新占空比等操作。中斷程序會人工生成一個周期性變化的角度，用於電機開環運行。圖6顯示了主控程序流程圖。
 

圖6：程序流程圖。

 

在PSoC Creator環境下編譯工程，並連接PSoC4開發板，三相全橋驅動板與PMSM電機
，通電後電機可正常運行
，圖7電機相電流波形。從測試結果可以看出，電流波形平滑，正弦度很好。

圖7相電流波形圖。

 

 

上述實例介紹了如何在PSoC4 平台上實現空間矢量脈寬調製。PSoC4針對電機控製做出了富有特色的優化。憑借片內豐富的資源及高度的靈活性
，用戶可以輕鬆設計出高度集成化
、低成本、性能優越的PMSM矢量控製係統，提高產品的核心競爭力。