InstaSPIN-FOC 使用 所谓的场定向控制来 控制电机。 为了理解 它的工作原理， 我们需要了解 关于场定向控制的 一些背景知识。 这张幻灯片进行了 说明，其中显示了 带有两极转子的 永磁同步电机。 可以看到在转子的北极， 用一个红色箭头指向它， 然后还有南极。 红色箭头对应 转子磁通的方向。 实际上，如果您 想要为此类型的电机 产生每安培最大扭矩， 那么就需要以这种 方式定位电流矢量， 使其与转子 磁通是正交的， 此处的绿色箭头 显示了这一点。 诀窍是始终 保持该矢量方向， 即使电机正在 旋转也是如此。 如果点击幻灯片， 您将看到转子 磁通角度变化， 我们需要不断改变 电流矢量的角度， 使其相对于转子 磁通始终成 90 度。 如果需要更大扭矩， 可以再次点击幻灯片， 您将看到方向 完全没有改变。 我们所做的是提高 电流矢量的电平。 左侧正弦波的增加 表明了这一点。 您可以再做一次。 对于更高的扭矩， 可以看到更高的 电流矢量和电平， 或更高的正弦波振幅。 就是这样。 那么在极高电平下， 这个过程是怎样的？ 再次点击，您会看到 这实际上是在中断 服务例程中完成的， 具体是这样。 我们从 处理器得到中断。 我们要做的第一件事是 测量转子磁通角度。 第二步是将电流矢量 调节到与转子 磁通成 90 度角， 然后我们退出 中断服务例程。 然后在某个时点， 例如 100 微秒后， 我们将获得另一中断， 然后我们再次完成整个 过程，如此反复。 随着时间的推移， 这应当会使电流矢量 收敛到一个最终矢量， 它将保持与转子磁通 成 90 度。 那么与其他电机 控制技术相比， 场定向控制 有哪些优势？ 我们先将它与 无刷直流电机的 梯形控制进行比较。 将无刷直流 电机换向时， 这是梯形控制的必须操作， 这通常会导致 产生一些扭矩纹波。 在许多应用中， 这不是什么大问题。 但在某些应用中， 具有极低的扭矩纹波 和极平稳运行的能力 非常重要。 这正是场定向控制的 一项优势。 与交流感应电机的 每赫兹伏特控制相比， 我们可以获得更快的 扭矩响应，因为 我们能够直接控制 电机上的扭矩， 而每赫兹伏特控制 只能控制电压和频率。 我们可以独立控制 电机的磁场和扭矩。 通过控制电机磁场， 我们实际上 可更改电机中的 磁通水平。 例如对于永磁电机， 我们可以减小磁通 以提高运行速度。 对于交流感应电机， 我们可以 选择减小磁通， 从而提高效率。 最后，我们提到过， 可以使用场定向控制 获得每安培最大扭矩。 对于某些系统， 这也意味着您可以 提高系统效率。 这张幻灯片是 一个典型控制图， 显示了场定向系统。 如图所示，电机上 有某种轴传感器， 用于提供我们 正确定向电流矢量 与转子磁通矢量 所需的角度信息。 您还可以看到， 来自轴传感器的 角度信息也用于 为速度环路提供 速度信息。 问题是，其中 许多轴传感器 非常昂贵。 它们需要 繁琐的制造流程 才能正确 安装到电机轴上。 很多时候，您必须 通过使用大量接线 才能将编码器 信号连接到控制器。 这些信号、线路 容易受到噪声影响。 所以，我们想要能 摆脱电机轴传感器的 原因有很多。 如果点击幻灯片， 您会发现， 在移除轴传感器后， 在控制系统中会 产生很大的空白。 我们不再有角度信息， 不再有速度信息。 那么如何进行补偿呢？ 应使用观测器。 再次点击该幻灯片， 您会看到它 在轴传感器的位置， 我们需要监控 电机电压和电机电流， 并通过算法 运行观测器。 通过这些信息， 我们可以计算 转子磁通的角度、 以及它的旋转速度。 在没有轴传感器的 情况下控制电机的理念 不是新理念，可以 从这个时间轴看出， 它已存在了很长时间， 可以追溯到 20 世纪 70 年代中期， 当时无刷直流电机 能够通过集中换向 摆脱霍尔效应传感器。 可以看到这些年来 取得了极大进步， 线性观测器之后是 滑模观测器， 滑模观测器 存在了很多年， 大概 50 年左右。 但直到 20 世纪 90 年代中期，它才 流行起来，提供 无传感器电机控制。 这样就可以 直接控制扭矩。 ABB 是这项技术的 首创者。 在世纪之交， 凸极跟踪 引起了极大关注。 它能够监控 电机线圈 随转子旋转的 电感变化，并在 电感和转子 角度之间建立相关性。 美国麦迪逊的 威斯康星大学 完成了大量工作。 但在约两三年后， TI 推出了 InstaSPIN-FOC。 我们认为它 优于以往提供 无传感器 控制的观测器。 我将在后面的幻灯片中 介绍一些优势。 您应该首先了解 如何识别内部实施了 InstaSPIN-FOC 的 C-2000 器件。 您会发现，这通过 器件名称后缀 中的 M 或 F 表示。 如果器件名称后缀 包含字母 M 或 F， 则说明其内部有 InstaSPIN-FOC。 我们还有几个常用套件 能够评估 InstaSPIN、 DRV8312、 DRV8301 套件， 它也在我们的 高压电机控制 增强型 PFC 套件上运行。 最新的 C2000 LaunchPad 可以连接各种 不同的功率级， 最新的是 DRV8301 Booster Pack。 不过请注意，最下面 是 InstaSPIN-FOC 的 一个独特方面。 用于集中控制的大部分 其他观测器拓扑 必须针对特定电机 或按特定电机调优， 而 InstaSPIN-FOC 使用统一电机模型， 从而能与各种不同的 电机类型配合工作。 换句话说，如果您 正确了解扭矩和磁通 是如何在 电机中产生的， 就会意识到产生方式 在各种不同的 电机拓扑中相同。 InstaSPIN-FOC 利用了这一事实。 因此，我们可以控制 BLDC 电机、永磁同步 电机、交流感应电机， 以及 IPM， 它表示内部永磁电机。 我们可以轻松控制 任何电机。 实际上，我们能够使用 InstaSPIN-FOC 来控制步进电机。 提到这一点是为了说明 InstaSPIN 的多用性。 我们实际上还 没有产品或软件 将 InstaSPIN-FOC 应用于步进电机。 但我们会在将来 考虑这一点。 如果进一步 了解 InstaSPIN-FOC， 您会发现它包括 一起运行的 几种较小算法。 先来看看 左上角的电机 ID。 您以及任何观察者 需要知道的是， 如果要正确控制电机， 必须知道它的 参数是什么。 在许多情况下， 您只能使用 电机数据表， 但它可能单位错误， 或者单位与您习惯的 单位不同，或者您甚至 没有数据表。 所以我们创建了 名为电机 ID 的算法。 该算法用于 询问电机以获取 我们需要的 所有参数信息， 我应该说是 InstaSPIN-FOC 需要的 所有参数信息， 以使电机正确旋转。 再看看 下一个，FAST， 它代表磁通、 角度、速度和扭矩。 这实际上是 InstaSPIN-FOC 的核心。 需要将电机电压 和电流波形以及 您从电机 ID 获得的参数信息 馈送到它。 FAST 的作用 是实时更新电机的 磁通、角度、 速度和扭矩。 当然，这是让电机 在无传感器模式下 运行的必需条件。 就像大部分观测器和 大部分 无传感器技术一样， 您限制在最慢速度， 这基于电机参数 估算的准确程度， 最重要的一项是 电阻状态。 InstaSPIN 与任何 其他观测器在此方面 没有差别。 但由于这个 参数非常重要， 我们有另一种 名为 Rs 在线的算法， 它实时运行， 并且能够持续监控 电阻状态的值。 因此当电机可能由于 重负载而变热时， 我们可以持续监控 电阻状态的值， 并将其报告 给 FAST 算法， 从而能够以低于大多数 无传感器 观测器的速度运行。 下一算法称为 自动起动算法。 与大多数其他 无传感器观测器一样， FAST 无法 一直运行到零速。 它需要被动 地查看电机信号。 但当电机静止不动时， 没有可查看的信号， 所以我们要让 电机开始旋转。 这样 FAST 就可以 开始拾取一些信号。 这有点像 汽车的起动电机。 您需要一些东西 来启动燃烧过程。 但在启动之后，它就 可以继续自己运行。 这就是自动 起动算法的作用。 因此，通过开环技术， 我们可以旋转 电机、开路负载。 要让电机旋转，我们 开始拾取一些信号。 拥有这些信号后， 我们可以关闭 自动起动算法， FAST 可以让 电机继续旋转。 最后的算法称为 PowerWarp 算法。 这一工具专门与 交流感应 电机共同使用。 实际上，当今 业内使用的大多数 交流感应电机 以全磁通运行。 这意味着它能 非常快地响应 扭矩瞬变。 但在大多数情况下 您不需要这一点。 实际上，这会 浪费大量能源。 PowerWarp 实际 用于监控扭矩水平。 如果它感应到电机 不需要大量扭矩， 它会关闭电机磁通， 与其他不能 取消电机磁通的 变频驱动器相比， 这可以节省 高达 70% 的能源。 接下来的两张 幻灯片显示了 InstaSPIN-FOC 所适用的 广泛应用范围。 先看一下功率范围。 InstaSPIN-FOC 已应用于某些应用， 小到 3 瓦剃须刀 电机，大到 3 兆瓦 线性同步电机 过山车。 想想 InstaSPIN-FOC 的 用途有多么广泛。 这张幻灯片显示了 InstaSPIN 在速度 范围的多功能性。 看看这个。 我们已经能够控制 握力计应用在 重负载下使用的 约 300 毫赫兹 电机，一直到 典型离心式 鼓风机应用中 超过 4,000 赫兹的电机。 这两张 幻灯片放在一起， 让人印象深刻， 我们当然想搞清楚 InstaSPIN-FOC 适用的应用 范围有多广。 这张幻灯片显示了 FAST 观测器所需的 输入信号，以及如何将 它的输出集成到 典型的场定向 系统。 先看一下输入。 FAST 需要记下电压 信息的所有三个相位， 以及电流信息的 至少两个相位。 电压信号实际 是您驱动电机 所使用的 PWM 信号， 所以需要通过 电阻分压器网络 将这些信号分开。 同样，由于它们 是 PWM 信号， 我们需要 提供一个电容器 以过滤该信号。 因此对于每个相位， 我们需要两个电阻器 和一个电容器。 对于电流， FAST 足够灵活， 可与内嵌式传感器或 分流电阻器一起使用。 这可以在 头文件中选择。 再强调一下， 我们所需的是 电流信息的至少 两个相位，如果知道， 我们就能计算 电流的第三个相位。 这些值随后将采样 并提供给 FAST 算法， 以及用于电压滤波器的 时间常数， 因为 FAST 必须知道该值， 才能考虑滤波 所带来的相位延迟。 它还需要知道 您使用的电机类型， 以及它的参数信息。 在获得该信息后， FAST 将计算电机 磁通、角度、速度 和扭矩的实时波形。 可以看到，Park 变换 需要角度信息， 速度信息实际上 用于为速度环路 提供速度反馈。 InstaSPIN-FOC 实际上是在特定 C2000 器件内的 安全存储器中实例化的 专有算法。 这里显示了 一个示例用例， 从中可以非常轻松地 使用 InstaSPIN-FOC。 可以在用户 存储器部分看到， 您所要做的是 获得一个中断， 进入中断 服务例程来响应， 用户只需要读取 来自模数转换器的 相电压和相电流。 您还具有您所需的 某种命令速度。 在获得所有 这些信息后， 只需将其传递到 ROM， 让 InstaSPIN 处理它即可。 我们在 ROM 中 首先看到的是， 观测器获取 电压和电流信息， 它计算电机的磁通、 角度、速度和扭矩。 然后它将这些信息 传递到控制环路， InstaSPIN-FOC 从中 执行整个场定向控制 算法。 完成后，它会将 用户需要加载的 三个 PWM 值传递到 PWM 模块，非常简单。 在这个示例中， 用户不需要亲自操作 场定向控制。 TI 就能搞定一切。 当然，我们 非常乐意这样做。 这个图显示了 上一幻灯片说明的 运行模式， 但比之前更加详细。 配色方案是， 任何粉色内容 是位于 ROM 中的 代码。 任何灰色部分 是用户需要 注意的事项。 在幻灯片右下侧， 可以看到用户从 用户存储器提供给 FAST 算法的 电压和电流信息。 整个场定向控制算法 在 ROM 中由 InstaSPIN-FOC 计算， 输出位于右上角部分， 我们得到 三个需要加载到 PWM 模块的 PWM 值。 遵从不能 “一刀切”的理念， 我们认识到 不是每个客户 都会喜欢 先前幻灯片中的 黑盒方法。 所以我们包括了 另一种运行模式， 在本例中，可以 看到 ROM 中只实施了 FAST 观测器， 但我们允许客户在 用户存储器中 实施自己的控制系统。 这是因为 在许多情况下， 客户认为他们具有 一组独特 IP，或者 具有一组特殊参数 要放入算法， 从而使他们的算法 区别于也使用 InstaSPIN-FOC 的 其他用户的产品。 当然，我们希望 满足两种用户的需求， 一种用户只想要使用 FAST 观测器， 其余工作由他们 自己完成， 另一种用户可能不熟悉 场定向控制， 需要 TI 搞定一切。 回想一下， 我之前说过， FAST 观测器 无法一直运行到零速。 这意味着它决不能 替代位置服务器 应用中的编码器 或其他轴传感器。 但这张幻灯片显示了 一个很有趣的用例， 其中没有 更换轴传感器， InstaSPIN-FOC 与 轴传感器协同工作。 在安全至关重要的 位置伺服应用中， 您通常需要 处理两个问题。 第一，如何判断 编码器何时出现故障？ 什么构成了一组 错误的编码器信号？ 第二，在确定编码器 故障之后，应如何应对？ 在大多数情况下， 您只能关闭电机， 让它滑行停止。 但在某些应用中， 这可能行不通， 因为您可能正在 执行某项操作， 不能直接将电机停止。 这张幻灯片展示了如何 使用 InstaSPIN-FOC 以及位置伺服 系统中的编码器 提供冗余 失效防护操作。 它的工作 原理是这样的。 编码器和 InstaSPIN-FOC 产生连续输出， 包括轴角度和轴速度。 现在，您可以检测 这两个值并进行比较。 如果它们有任何差异， 可以立即 进行故障检测， 从中可以切换并 使用 InstaSPIN 值。 现在并非 只能滑行停止， 您拥有非常 实用的跛行模式， 可以继续运行， 甚至可以控制停止， 而非只能将一切关闭 并滑行停止。