平頭哥CDK助力中科昊芯HX2000系列芯片之雙電機(jī)有感FOC控制系統(tǒng)專(zhuān)題（四）拓展：永磁電機(jī)三閉環(huán)有感伺服控制

自中科昊芯推出專(zhuān)題闡述HXS320F28034雙電機(jī)有感FOC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以來(lái)，第一期主要分析了雙電機(jī)有感FOC控制原理，第二期著重分析了永磁BLDC的霍爾位置開(kāi)環(huán)控制，第三期著重分析了永磁BLDC的雙閉環(huán)調(diào)速，第四期著重分析了永磁PMSM雙閉環(huán)FOC調(diào)速，本期基于上期的方案做了一個(gè)拓展，增加了位置閉環(huán)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)永磁電機(jī)三閉環(huán)有感伺服控制，并繼續(xù)基于平頭哥半導(dǎo)體有限公司的劍池集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（簡(jiǎn)稱(chēng)“CDK”）V2.12.1版本與HXS320F28034驅(qū)動(dòng)一體板聯(lián)合開(kāi)發(fā)。

PMSM三閉環(huán)有感伺服原理如圖1，系統(tǒng)給定位置θ*與差分增量式編碼器計(jì)算所得實(shí)際角度位置θ相比較，經(jīng)位置PI運(yùn)算得到給定轉(zhuǎn)速n*，與差分增量式編碼器計(jì)算所得實(shí)際轉(zhuǎn)速nfbk相比較，經(jīng)速度PI運(yùn)算得到q軸電流給定值iq*，采用id*=0控制，與霍爾電流采樣得到三相實(shí)際電流ia,ib,ic，經(jīng)CLARK與PARK變換所得d軸與q軸電流id,iq進(jìn)行比較，經(jīng)電流PI輸出調(diào)節(jié)電壓Ud*,Uq*，經(jīng)反PARK變換得到調(diào)節(jié)電壓Uα*,Uβ*，經(jīng)空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM輸出三路開(kāi)關(guān)管切換時(shí)間Tcm1,Tcm2,Tcm3，與三路PWM輸出三角載波相比較得到六路調(diào)制脈寬，驅(qū)動(dòng)控制三相六橋臂MOSFET逆變器通斷，實(shí)現(xiàn)三閉環(huán)伺服的位置精確控制。

圖1 PMSM三閉環(huán)有感伺服系統(tǒng)框圖

依照上述原理，設(shè)計(jì)HXS320F28034 PMSM三閉環(huán)有感伺服系統(tǒng)如圖2，通過(guò)GPIO按鍵控制電機(jī)使能與位置給定，轉(zhuǎn)子位置與速度檢測(cè)通過(guò)QEP模塊實(shí)現(xiàn)，電流采樣通過(guò)ADC模塊實(shí)現(xiàn)，經(jīng)三閉環(huán)PI調(diào)節(jié)輸出PWM波的導(dǎo)通脈寬，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)角度位置的精確伺服控制。硬件連接如圖3，圖中的小黑色電路板為差分編碼轉(zhuǎn)換器，讀者可根據(jù)需要自行采購(gòu)。

圖2 系統(tǒng)硬件原理圖

圖3 系統(tǒng)硬件連接

系統(tǒng)所采用的軟硬件開(kāi)發(fā)環(huán)境詳見(jiàn)《芯教程丨平頭哥CDK助力中科昊芯HX2000系列芯片之雙電機(jī)有感FOC控制系統(tǒng)專(zhuān)題（一）》。

根據(jù)上述分析，基于CDK開(kāi)發(fā)PMSM三閉環(huán)有感伺服系統(tǒng)，代碼包括：PWM、QEP的外設(shè)GPIO引腳配置、三路三相PWM波輸出配置，QEP初始化配置與差分編碼器位置采樣、轉(zhuǎn)速與電角度計(jì)算、ADC初始化配置與電流采樣、PMSM斜坡啟動(dòng)編碼器校正、PI調(diào)節(jié)算法、CLARK、PARK正逆變換、SVPWM算法調(diào)制的EPWM事件觸發(fā)中斷服務(wù)程序，主程序執(zhí)行調(diào)用，其中SVPWM算法調(diào)制的EPWM事件觸發(fā)中斷服務(wù)程序代碼為：

1.voidINTERRUPTepwm1_isr(void)

2.{

3./*出于安全考慮，默認(rèn)驅(qū)動(dòng)板上電時(shí)封波，按下GPIO7后，電機(jī)開(kāi)始啟動(dòng)*/

4.if(GpioDataRegs.GPADAT.bit.GPIO7==0)

5.{

6.epwm_flag++;

7.}

8./*判斷啟動(dòng)脈沖信號(hào)是否產(chǎn)生，產(chǎn)生后電機(jī)開(kāi)始啟動(dòng)*/

9.if(epwm_flag!=0)

10.{

11./*啟動(dòng)計(jì)時(shí)*/

12.start_step++;

13./*扇區(qū)讀取:用于獲取確定的轉(zhuǎn)子初始位置與對(duì)應(yīng)的SVPWM初始扇區(qū)*/

14.sector_uvw();

15./*斜坡啟動(dòng)與調(diào)速：200rpm斜坡加速啟動(dòng)后調(diào)速，300個(gè)計(jì)數(shù)內(nèi)完成啟動(dòng)*/

16.if((speed_ref1<300)&&(start_step<=300))

17.{

18./*斜坡啟動(dòng)*/

19.start_ramp();

20.}

21.else

22.{if((speed_add!=0)||(speed_sub!=0))

23.{

24./*按計(jì)數(shù)，分配在不同時(shí)段實(shí)現(xiàn)調(diào)速與轉(zhuǎn)子位置伺服控制*/

25.speed_theta_regulated();

26.if(theta_reg<250000)

27.{/*調(diào)速*/

28.speed_regulated();

29.}

30.else

31.{/*角度調(diào)整*/

32.theta_regulated();

33./*位置閉環(huán)*/

34.servo_loop();

35.}

36.}

37.}

38./*轉(zhuǎn)速閉環(huán)*/

39.speed_loop();

40./*電流閉環(huán)*/

41.current_loop();

42./*給定固定初始角度使電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)最大反電勢(shì)點(diǎn)，讀取校正值=此時(shí)脈沖計(jì)數(shù)*/

43.theta=theta_open;

44./*根據(jù)差分編碼器的霍爾信號(hào)判斷電機(jī)反電勢(shì)是否處于最大值*/

45.if(theta==NA*_IQ7(PI/3)+_IQ7(PI/6))

46.{

47.iel_int++;

48.}

49./*反電勢(shì)最大時(shí)，切電角度閉環(huán)，使編碼器零位與電機(jī)零位對(duì)齊，完成啟動(dòng)*/

50.if(iel_int!=0)

51.{

52./*計(jì)算電角度*/

53.theta=freq*_IQ7(2*PI);

54.}

55./*兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換到兩相靜止坐標(biāo)系*/

56.iPark();

57./*空間矢量旋轉(zhuǎn)變換*/

58.svpwm_motor();

59./*調(diào)制占空比輸出配置*/

60.epwm_compare();

61.}

62./*清除事件中斷的INT全局中斷*/

63.EPwm1Regs.ETCLR.bit.INT=1;

64./*中斷應(yīng)答，鎖定IER的第3組中斷向量*/

65.PieCtrlRegs.PIEACK.all=PIEACK_GROUP3;

66.}

CDK上開(kāi)發(fā)PMSM三閉環(huán)有感伺服系統(tǒng)控制程序，其編譯結(jié)果為：

編譯通過(guò)后，可以開(kāi)始調(diào)試，其調(diào)試結(jié)果如下：

調(diào)試后，控制PMSM在400rpm~600rpm調(diào)速與調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子位置的效果如下：

關(guān)于中科昊芯

“智由芯生 創(chuàng)享未來(lái)”，中科昊芯是數(shù)字信號(hào)處理器專(zhuān)業(yè)供應(yīng)商。作為中國(guó)科學(xué)院科技成果轉(zhuǎn)化企業(yè)，瞄準(zhǔn)國(guó)際前沿芯片設(shè)計(jì)技術(shù)，依托多年積累的雄厚技術(shù)實(shí)力及對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈的理解，以開(kāi)放積極的心態(tài)，基于開(kāi)源指令集架構(gòu)RISC-V，打造多個(gè)系列數(shù)字信號(hào)處理器產(chǎn)品，并構(gòu)建完善的處理器產(chǎn)品生態(tài)系統(tǒng)。產(chǎn)品具有廣闊的市場(chǎng)前景，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制及電機(jī)驅(qū)動(dòng)、數(shù)字電源、光伏、儲(chǔ)能、新能源汽車(chē)、消費(fèi)電子、白色家電等領(lǐng)域。