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本次实战问答只讨论同步电机,不对步进电机做特别的讨论,希望有助于大家进行电机开发或者是电机应用。
Q1:STM32关于FOC控制或者在永磁同步电机上有哪些可用的库和工具,有没有关于弱磁
MTPV等算法的文档或者学习工具,或者是开发套件?
A1:今年ST推出FOCSDK 5.2版本,可以在ST官网上直接下载这个库。关于算法,请参考培
训文档( “设计资源”中查找),原理请看UM1052。请大家充分
利用,可自助解决MCU及相关应用难点,网站上的资源包括培训课件,
实战经验等。
Q2:在电机控制中,F407系列MCU有没有方法可以在线修改参数?不用每次都编译,不然调
PI很麻烦。
A2:在线修改可以使用RAM方式修改,如果您用的是自己程序,可以考虑仿真器或串口方式
修改定义好的变量数据,当调试好参数后回写到Flash中固化参数;如果使用
Workbench,可以在workbench调试界面上上修改相应参数,同样这个是修改RAM,
调试好后再回写入Flash中。这样就不需要每次都进行编译,浪费很多时间在编译上面。
Q3:伺服电机的分类,以及有主流的控制方法及使用方法?
A3:伺服电机大体可分为直流伺服电机和交流伺服电机。控制方法如果采用矢量控制,当前
主要有DTC控制和FOC控制。
Q4:自主搭建电机驱动,软硬件如何设置?F030系列如何做FOC?
A4:实际上您自主搭建的电机驱动的硬件,可以与MCSDK workbench匹配使用,注意参数
配置。Workbench就是为大家提供配置的便利,包括板子参数、电机参数、控制策略等
等,都可以做直接配置。F030是支持FOC的。
Q5:电机的参数(电感,电阻)对位置估算的结果影响多大?为什么我用错误的电感和电阻
值电机也能转,而且位置输出没发现异常?
A5:电机的参数对位置估算的结果是有影响的,即会影响无传感观测器参数,也会影响电流
环PID的设定,还很可能影响电流稳定度等;当然在观测技术是上有一定阈值调整。有些
参数稍微调整也可以运行,但是最好能够使用正确的电感电阻值。
Q6:永磁同步和BLDC应用领域的区别?BLDC如何正确的检测换向点?BLDC与PMSM的转
矩脉动产生的原因分别是什么?如何减小这一现象对精度和稳定性的影响呢?如何计算
BLDC与PMSM的效率差别呢?
A6:永磁同步和BLDC可以看成是同一种电机,只是叫法不同而已。如果BLDC矢量控制无过
零点检测,六步方波控制方法需要检测过零点。如果是FOC,可以利用观测器的方式来
观测出你现在的一个转阻位置。
这两个电机实际相同,只是电机工艺做法差异所导致的,转矩脉动和控制方法有关。
Q7:开环运行到闭环运行需要哪些步骤,有哪些注意事项?
A7:大致步骤是定位,开环,闭环;需要注意设定开环速度以及驱动电流,还有设定最小切
入速度,一般在额定速度的10%以上。
Q8:这个电机库支持高频注入算法吗?效果如何?
A8:目前FOC 5.0不支持高频注入算法,以前的4.3版本是支持的。后续这个算法会加进来。
Q9:如何使用开源或免费的编译器进行相关设计?有无相关例程?
A9:参考培训文档,可以在上下载。参考例程在Cube库和标
准库里都有。
Q10:凸极BLDC想要从任意位置平稳启动无反转,有什么好的策略可以使用?高频注入利用
凸极性,对于隐极BLDC,有没有好的评估转子位置的方案,希望启动无抖动无反转噪
音低。
A10:这个问题涉及当前最热门且研究最多的无传感的部分。无传感策略,ST有两种方式:一
是观测器的方式,由开环转闭环,启动时会有一些抖动,或者是一些反转,因为要做一
次定位;如果无反转,是在静止的时候,抓到转子的位置,采用无传感方式,ST采用高
频注入加观测器方式来实现。高频注入,目前市场有非常多开发好的算法。各有特长,
好的算法要靠时间或者是精力来实现,基本可以实现无抖动,无反转。
Q11:5.0的库相对于之前的库新增哪些特性?二次开发需要考虑哪些设想?
A11:5.0库是针对前一代有结构上的变化,ST的开发力度历来是非常大的,如果客户二次开
发,可以在它的库基础上,非常便利地实现自己的一些想法,可以进行一些库的修改代
码。也可以直接用接口代码,调用API的方式,针对简单应用足够了。
Q12:BLDC最低电压能做到几伏,低电压的转速可以做的很高吗?BLDC用在吸尘器上是要做
恒功率还是其他?
A12:BLDC有些可以低到5V,当然最低电压需要和电机厂商联系,转速部分与电机本体相
关;恒转速和恒功率都可以实现。
Q13:请问交轴直轴怎么理解,同样是电流产生的力矩和磁通怎么实现分别控制的?被控量只
有一个电流,是怎么实现力矩,磁通解耦合控制的?
A13:直轴可理解为永磁体磁场方向。交轴垂直于永磁体磁场方向的轴,即垂直于直轴,它是
一个动轴。直轴电流是用于叠合磁场,交轴电流相当于一个旋转量,当旋转量持续为90
度时,这时候力是最大的。电流解耦合后有两个量,id,iq,分别控制这两个量
Q14:ST是否有方波切正弦的启动方案,可直接重载启动?
A14:已有客户在ST的电机库上实现。方波切正弦,切起来应该问题不是很大,这是一个通用
方式。
Q15:在FOC控制方面,STM32有哪些库与工具让初学者快速入门,STM32对于浮点运算怎
么处理的?
A15:F0、F1产品系列,即M0、M3核上面没有这种浮点处理单元。F3、F4这类高端MCU的
平台上,有浮点算法。所以可以直接在F3、F4等高端MCU上直接使用浮点运算。在电
机库里你会发现,除高频注入以外的基础控制算法,都是以定点的方式实现。所以可以
兼容从F0到F7、H7等产品系列。
Q16:电机电流如何判定是否堵转?
A16:最直接的方法就是电机没有速度了,或者低速震荡、并且电流很大的情况下,就判断为
堵转。在ST的FOC电机库里,有两种方式来提供这个判断:一是所谓的速度(时速),
没有任何速度的时候,就判断为堵转;二是在无传感方面,如果正弦震荡,可检查是否
有反电动势,不转的时候,反电动势就没有了,这样可以从另外一个角度检测堵转。
Q17:加位置环应该怎么来添加?项目开发需要三个环同时工作,位置环电流环和速度环,有
编码器,定位刚性能保证吗?
A17:通常在做过程震荡,一般是两个环路比较好控制,比如说的力矩环+速度环,或者力矩
环+位置环,这种方式比较好。如果三环在一起,会有很多变量是纠结在一起,不方便
开发。
Q18:相对于传统DSP、FPGA等手段,STM32在控制电机方面的优势是什么?
A18:从字面上理解,传统的DSP就是数字信号处理,FPGA是现场可编程门阵列。FPGA非常
好,基本可实现所有的数字控制,但其开发有一定门槛,在电路设计不够好时,可能会
存在一些风险。应该说,有些SOC是在FPGA的仿真验证之后,才重新设计实现的。传
统DSP的设计初衷是为了数字运算,具有较快的数字运算或数据处理性能。当然,现在
DSP和MCU实际上有些相近,没有特别分明的界限,它既可做数据处理也可实现一些
控制功能。但性价比是客户考量点,有赖于客户的评估。当前ST的部分芯片性能已经非
常高了,比如低端伺服已经不用FPGA,换成高性能ST芯片;随着芯片工艺提高,干扰
性对客户硬件处理要求也提高。
Q19:BLDC启动过程怎么调节?
A19:无传感的是开环启动,定位后V/F启动,电流闭环,速度开环整个一个过程。
Q20:弱磁原理是什么?
A20:简单说就是Id需要被控制,通常情况是ID等于0的控制。现在要作为一个ID控制,进行
一些弱磁的配比,可根据电压方程来做。请访问官网上的培训文档,有
各种公式可以算出来,较为详细。
Q21:STM32应用于电机控制器,除了开发流程更快一些之外,还有其他的优势吗?成本?
维护?二次开发?
A21:STM32芯片性价比非常高,资源非常丰富,产品的生态系统非常强大。用户可以在很
多途径上得到ST的特别多的生态系统支持,不仅仅是芯片文档,还有多种路径的技术支
持帮助用户解决问题。STM32生态系统非常到位,这一点是众所周知的。
Q22:有霍尔无刷电机换相时脉动,导致噪音,如何有效去除?STM32单片机6路PWM和
IR2136连接,中间需要加小电阻吗?
A22:如果MCU直接接驱动桥,需要加一个小电阻,一是防止干扰,二来保护芯片。如果采
用方波控制,即有传感的方式,需要进行电流补偿;如果是FOC,需要做电角度修正,
因为FOC在霍尔信号这个边缘要做一次同步,同步的准确度与否或者是这个突然同步的
过程中会产生脉动,这是要做一定的补偿的。
Q23:我发现很多书上关于电磁转矩的解释不合理,能基于原理实际分析一下电磁转矩产生的
原理吗?
A23:实际就是内外磁场(定子、转子)的叉乘带来电磁转矩。当两路的磁场方向不一样时,
之间的有一定夹角,就会产生一个转矩。
Q24:请讲解弱磁控制、前馈控制的代码函数讲解和应用,不同内核芯片的代码移植?
A24:电机算法实际上独立于芯片而存在的,如果你熟悉一种算法,可以用到很多的MCU或
者芯片上去。弱磁控制实际上根据电压方程来做的;前馈控制是两轴之间,电可转磁,
磁可以转电,两者之间的耦合性带来了前馈控制。
Q25:如何解决电机对电路的干扰问题?
A25:电机的硬件电路设计有讲究;转速快速的话可以考虑加入PID中的微分量,同时注意反
充电保护。电机控制实际上是软硬件的结合。
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