第1章 概述

1. 1 概述

由于节能和环保要求，运行效率更高的永磁同步电机在各个运动控制行业应用越来越广，市场份额也越来越大。永磁同步电机矢量控制方案具有更好的转矩控制优势，随着电机驱动技术的日渐成熟，其在玩具、风机、抽油烟机、水泵、空调压缩机、电动工具、工业控制等领域已得到大量使用。

鉴于上述应用场景，上海东软载波微电子有限公司(简称essemi)对永磁同步电机驱动技术进行了深入研究，并成功开发了针对电机矢量控制解决方案，该解决方案具有启动力矩大、转矩稳定和易于实现电机最佳工作效率跟踪的优点，动态响应性能适用于负载始终处于动态变化的产品中。

在实际电机控制开发过程和方案推广中，笔者发现许多工程人员对标幺化处理不清楚，因此通过撰写本文向用户介绍如何使用essemi的ES系列芯片实现PMSM电机矢量控制过程中的数据标幺化处理。在电机矢量控制系统中，针对芯片不支持浮点运算芯片，本文提出各种参数和运算的标幺化处理，提高运算的精度，降低运算复杂度，从而减少对CPU运算时间，实现无传感器电机矢量精准控制。

第2章 矢量控制原理

FOC (Field –oriented Control磁场矢量控制)一种方法通过参考坐标变换过程实现的， 如果从定子的角度来分析电机的运行过程，则体现在三相电压电流通过角速度ω进行交流工作，该时变信号产生了旋转的磁通变化，转子的速度是旋转磁通矢量的函数。而如果从旋转的旋转子来分析，三相电压电流可视为直流信号，且旋转磁通矢量是静止的。因此，采用PI控制定子电压来获得期望的电流，则通过参考坐标变换，使用标准PI控制环，如同控制直流信号量一样实现对定子电流的控制。最终实现方式是通过定时器产生PWM控制三相电压，完成对电机运行的控制。

终上所述，实施FOC(矢量控制)的流程简化如下图所示：

矢量控制流程图

第3章 数据的标幺化说明

数据的标幺化就是对矢量控制系统中的各种参与运算的数据，选择对应的基值进行比值转化。

3. 1 电流值的标幺化处理

根据系统的硬件参数算出相应电流基值，对电流采样系统进行Q15转化，ES系列芯片具有ADC采样右对齐功能，使得转换值减去偏差值得到的最大电流值即是0x7FFF。

例如：系统的采样电阻是100mΩ运放的增益为6倍，ADC的参考电压是5V，那么我们系统的最大电流就是(5V/2)/(0.1Ωx6) = 4.167A，该电流值在控制系统中就对应标幺值是0x7FFF。

3. 2 对电流进行坐标转换

3. 2. 1 三坐标系到二坐标转换

Clark转换公式

公式中应用了三相电流实际值是浮点数，如果直接进行运算占用CPU大量时间，许多芯片不支持浮点运算，将无法电机矢量控制，对运算数据进行标幺化后运算后，实现了电机矢量控制，注意在过程中运算后要及时进行还原。

#define SVM_SQRT3_DIV2 (int32_t)((1L<<15) * 1.73205/2) /* SQRT3/2 */

3. 2. 2 静止坐标系到旋转坐标转换

Park转换公式

1) 定义一个256个元素的sin函数表，记录从0度到90度的sin函数结果。

2) 将theta值-32767到32768(-180到180度)变为0到65536，通过二进制转换并右移6位，就可以将-180度到180度转化为0x000到0x3ff的数据结果

3) 0x000~0x0ff： -180度到90度

　 0x0ff~0x1ff： -90度到0度

　　0x1ff~0x2ff： 0度到90度

　　0x2ff~0x3ff： 90度到180度

将数据结果的后16位代入sin函数结果表，再经过象限变换就可以得到-180度到180度所对应的sin函数结果

程序代码：

int32_t theta_temp32;

uint16_t theta_temp16;

int16_t SinResult;

theta_temp32 = ((int32_t)32768 + (int32_t)theta);

theta_temp16 = (uint16_t)theta_temp32;

theta_temp16 = theta_temp16 >> 6;

switch((uint16_t)theta_temp16 & 0x0300)//取出第8、9位用于判定象限

{

case 0x000: //180~270

SinResult = -Sin_Table[(uint8_t)(theta_temp16)];

break;

case 0x100: //270~360

SinResult = -Sin_Table[(uint8_t)( 0xFF - (uint8_t)(theta_temp16))];

break;

case 0x200: //0~90

SinResult = Sin_Table[(uint8_t)(theta_temp16)];

break;

case 0x300: //90~180

SinResult = Sin_Table[(uint8_t)(0xFF - (uint8_t)(theta_temp16))];

break;

default:

break;

}

return SinResult;

3. 3 电压值的标幺化处理

根据系统的硬件参数算出相应电压基值，对电压采样进行Q15格式转化，系统最大电压对应0x7FFF，

控制系统中，电压是从电流环控制的输出得到。

例如：系统的分压电阻分别为10KΩ和1KΩ，ADC的参考电压是5V，那么系统的最大电压就是55v，在控制系统中的标幺值就是0x7FFF。

3. 3. 1 PI公式标幺化

PI公式运算时，对Kp和Ki均需要进行Q15处理;在运算过程中，需要注意中间变量的定义，防止产生溢出，对运算结果要进行及时还原，对给定的电压限值也要进行Q15格式转化。

3. 3. 2 电压的坐标系转换

Park逆转换公式

Park逆转换是电流的逆运算，处理方式和电流一样。

3. 3. 3 SVPWM转换

SVPWM转换的相关公式

T为PWM周期

SVPWM实现从电压到定时器的转换，运算相对复杂，主要是防止运算过程溢出。为了减少CPU的运算时间，ES系列的芯片有内部硬件除法加速器。

参考程序代码：

CALC->DIVDR = PWM_T;

CALC->DIVSR = motor_ch->drv.voltage.Vdc;

while(CALC->STAT && 1 == 1);

DCT_PWM32 = (int32_t)(CALC->DIVQR);

U_ref1 = ((int32_t)(motor_ch->drv.voltage.Vbeta));

U_ref2 = Ubeta_ref + Ualpha_ref;

U_ref3 = Ubeta_ref - Ualpha_ref;

T1 = (int32_t)((int64_t)( DCT_PWM32 * U_ref2) >> 15);

T2 = (int32_t)((motor_ch->drv.voltage.Vbeta * DCT_PWM32) >> 15);

第4章 结论

通过对电机矢量控制采样、运算过程中的数据标幺化处理，ES系列芯片的从标幺化前无法实现矢量控制，采用标幺化处理很容易实现，电机矢量控制运算复杂度，系统算力要求降低，方便实现电机矢量控制，成本进一步降低。实现高速电机的矢量控制，使电机矢量控制更加广泛用于生产生活中，为优化控制、节能减排作出有力推动。