基于DSP的三相开关霍尔永磁同步电机控制

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基于DSP的三相开关霍尔永磁同步电机控制

0 前言

本文本应该是一篇 记录我使用DSP28377D控制一个基于三相开关霍尔传感器的高速永磁同步电机全过程的长文，但大部分零散的知识点我都已经写成单独的博客了，所以本文更像是一个知识框架的梳理。本文最终目的是实现高速PMSM的电流-速度双闭环，将电机速度控制在80r/s左右，精度越高越好。

1 硬件的理解

图1 硬件连接

如图1所示，被控对象是一个永磁同步电机，然后在永磁同步电机定子的底部，安装了三个三相对称的开关型霍尔传感器，可以用于检测电机的转速和电角度。 永磁同步电机的输入电压，是由一个型号为DRV8322DKD的驱动芯片给出的三相电压输出。该芯片主要的作用是把三相PWM输入波形，转换成三相电压输出。另外，提供便捷的测量三相电流的通道，而电流的采集是用的型号为MAX40056FAUA/V的芯片， 拿到了三相电机的电流、转速以及电角度，DSP要作为控制器需要去设计相应的控制算法，然后输出相应的三相PWM波形，形成闭环。 每当DSP输出一次PWM波形的时候，可以同时触发下一次的电流采集转换。这令电流环的实现就非常的丝滑，不得不说DSP在这点上的设计还是很好的。 

2 DSP底层外设驱动学习

对于初学DSP的人来讲，在DSP的底层驱动外设之前，一个完美的DSP28377D程序框架搭建是基础中的基础。这部分的内容在本文就不展开讲了，请参考DSP_基于TMS320F28377D双核芯片和CCS7.40的编程入门_江湖上都叫我秋博的博客-CSDN博客_tms320f28377

另外，根据图1可以总结出，要实现PMSM的速度环控制，需要掌握的DSP底层外设驱动包括三个部分，我已经把坑全部填完了，请参考下面三篇博客。

2.1 ADC模块的使用

DSP_TMS320F28377D_ADC学习笔记_江湖上都叫我秋博的博客-CSDN博客

2.2 ePWM模块的使用

DSP_TMS320F28377D_ePWM学习笔记_江湖上都叫我秋博的博客-CSDN博客

2.3 eCAP模块的使用

DSP_TMS320F28377D_eCAP学习笔记_江湖上都叫我秋博的博客-CSDN博客

如果要把DSP部分的内容扩充更详细、更丰富，对定时器的使用、系统的中断配置也是需要补充的，两个部分的坑，我尽快填上。

2.4 CPU Timer模块的使用

关于定时器实现 <获取代码块运算时间>的功能，也是可以浅看一下。量化某代码段的运行时间对于一个系统而言，也是比较重要的，而不是你觉得它能在多少时间内运行完。

DSP_TMS320F28377D_使用定时器实现＜获取代码块运算时间＞的功能_江湖上都叫我秋博的博客-CSDN博客

当然，定时器对于控制系统而言更重要的作用，是实现系统的软分频功能。利用软分频得到的固定频率标志，可以便捷的实现控制器的离散化控制。

DSP_TMS320F28377D_CPU Timer学习笔记_江湖上都叫我秋博的博客-CSDN博客

2.5 PIE及中断模块的使用

DSP中的很多模块（例如ADC、eCAP、CPU Timer）都需要使用中断，因此中断配置的学习也是一个必不可少的基础知识。

DSP_TMS320F28335_PIE学习笔记_江湖上都叫我秋博的博客-CSDN博客

3 永磁同步电机控制

在学习了必要的DSP基础知识之后，更多的重心就要放到控制相关的内容，与控制相关的内容可以大概分为5个部分，传感器的标定与解算、永磁同步电机的FOC控制、被控对象系统辨识、电流环与速度环的PI控制器设计、控制精度优化。下面将会展开讲本人对于这5个部分内容的理解。

3.1 传感器的标定与解算

对于本文所涉及的三相开关霍尔永磁同步电机，它包含的传感器主要有两个，一个是三相开关霍尔，一个是电流采集传感器（或芯片）。

3.1.1三相开关霍尔

三相开关霍尔用于获取电机的电角度与电机的机械转速，对于这部分知识，我也单独写了一篇博客。

传感器_三相-双极性-开关型-霍尔传感器 速度+电角度解算理解_开关型霍尔传感器_江湖上都叫我秋博的博客-CSDN博客

这篇博客写的还有点瑕疵，我再补充一下我的标定办法。博客里面我提到的直接控制A B C三相的拉高拉低来标定，而实际上我在标定的时候是先完成了FOC开环控制（3.2会讲），然后令id = 1，iq = 0，设置不同电角度来观察Hall读数（HallRead = (HallU << 2) + (HallV << 1) + HallW;）。

    // id = 1;// iq = 0;//                                                  Hall读数// theta    = -0.01745329252;       // -1°              4// theta    = -0.1745329252;        // -10°             4// theta    = 0.0;                  // 0°               4/6// theta    = 0.01745329252;        // 1°               6// theta    = 0.0872664626;         // 5°               6// theta    = 1.0471975511966;      // 60°              6// theta    = 1.1344640138;         // 65°              2// theta    = 2.0943951023932;      // 120°             2// theta    = 2.181661565;          // 125°             3// theta    = 3.1415926535898;      // 180°             3// theta    = 4.1887902047864;      // 240°             1// theta    = 5.235987755983;       // 300°             5// theta    = 5.253441048503;       // 301°             5// theta    = 5.32325421858;        // 305°             4// theta    = 6.28318530718;        // 360°             4/6// 标定结果的总结//    6     2     3     1     5     4// |-----|-----|-----|-----|-----|-----|// 0°   60°   120°  180°  240°  300°  360°

上面看到的，就是我的标定结果了， 标定结果表达的是，当我HALL的读数为6的时候，说明我的电角度，已经跨入了 0° ~60°这个区间了，其他的以此类推。那如果我的读数为6，我的电角度应该用0°还是60°呢， 我是用的60°。 结合上述标定结果，下面给出利用匀速模型插值的电角度估计获取方法。

float getElecAngle2(void){float turn_angle = 0.0;HallU = GpioDataRegs.GPADAT.bit.GPIO24;HallV = GpioDataRegs.GPADAT.bit.GPIO25;HallW = GpioDataRegs.GPADAT.bit.GPIO26;HallRead = (HallU << 2) + (HallV << 1) + HallW;//HallRead = 7 - HallRead;if(HallRead != HallRead_Last){elec_angle_speed_0 = elec_angle_speed;switch(HallRead){case    6:theta0   =   0;break;case    2:theta0   =   1.047197533333333;break;case    3:theta0   =   2.094395066666667;break;case    1:theta0   =   3.1415926;break;case    5:theta0   =   4.188790133333333;break;case    4:theta0   =   5.235987666666667;break;default:break;}// theta0 = theta0 + 1.647197533333333;theta0 = theta0 + 1.047197533333333;//theta0 = theta0 + 0.5236;rotate_t = 0;}else{rotate_t = rotate_t + rotate_delta_t;}HallRead_Last = HallRead;// 匀速运动模型turn_angle = theta0 + rotate_t * elec_angle_speed;// 匀加速运动模型// turn_angle = theta0 + 1.5 * rotate_t * elec_angle_speed - 0.5 * rotate_t * elec_angle_speed_0;if(turn_angle > 6.28318530718){turn_angle = turn_angle - 6.28318530718;}return turn_angle;}

这种标定方式是我自己摸索出来的，正确性有待考量（反正用这种方法得到电角度最后电机正常转了），若有疑问，评论区、私信等你。 

3.1.2电流采集

关于电路采集传感器，是用电流采集芯片。此系统使用该芯片采集了电机ia和ib的两相电流。

关于电流采集芯片的使用，碰巧在之前的工作中也记录了，参考下面这篇博客。

STM32_ADC模块及针对芯片MAX40056FAUA/V+的使用_江湖上都叫我秋博的博客-CSDN博客

为什么系统只采集电机的ia和ib两相的电流，不采集ic呢？我也在另一篇博客中写了一些我自己的理解。

STM32_FOC_1_Clarke变换计算iα和iβ为何仅用ia ib两相电流_αβ变换电压电流_江湖上都叫我秋博的博客-CSDN博客

下面补充一下去零偏的方法，思路很简单，在电机运行之前，先采集1000个电流数据，然后取均值作为零偏，在后续的ADC采集中，用采集到的值减去这个零偏。这种方式比直接减一个人为设定的零偏值要靠谱一点。

3.2 永磁同步电机的FOC控制

对于初学者学习FOC控制来讲，华为的天才少年稚晖君写了一篇很好的文章，值得反复阅读。

【自制FOC驱动器】深入浅出讲解FOC算法与SVPWM技术 - 知乎 (zhihu)

本人对FOC的理解很浅，直接贴电流环开环代码做个备份，感兴趣的朋友也可以借鉴一下，老鸟朋友如果看出有什么问题，也希望你们不要吝啬给我指出(评论或者私信都可以哟)。

void currentopenloop(void){float TempVar1 = 0.0f;float TempVar2 = 0.0f;theta = getElecAngle1();sin_theta = __sin(theta);cos_theta = __cos(theta);// Anti-ParkV_Alpha   = (id*cos_theta - iq*sin_theta);V_Beta    = (id*sin_theta + iq*cos_theta);// 确定扇区TempVar1 = V_Alpha * 0.86602540378444f;TempVar2 = V_Beta * 0.5f;SectorJudgmentFactor1 =   TempVar1 - TempVar2;SectorJudgmentFactor2 = - TempVar1 - TempVar2;SectorNum = 0;if( V_Beta >= 0)SectorNum = SectorNum + 1;if( SectorJudgmentFactor1 >= 0 )SectorNum = SectorNum + 2;if( SectorJudgmentFactor2 >= 0 )SectorNum = SectorNum + 4;// 计算中间变量X Y ZMiddleTerm_X    = V_Beta;MiddleTerm_Y    = TempVar1 + TempVar2;MiddleTerm_Z    = -TempVar1 + TempVar2;// ? where is √3*Ts/Vdc ?// 作用时间计算switch(SectorNum){case 0:t_cm1 = 0;t_cm2 = 0;t_cm3 = 0;break;case 1:   /*Sector 1: t_1st = Z     and t_2nd = Y       (Tcm1/2/3 ---> Tb,Ta,Tc)*/t_first     = MiddleTerm_Z;t_second    = MiddleTerm_Y;//  过调制处理if(t_first + t_second > 1){t_firstaddsecond    = t_first + t_second;t_first             = __divf32(t_first,t_firstaddsecond);t_second            = __divf32(t_second,t_firstaddsecond);}t_a = (1 - t_first - t_second) * 0.5;      // ? why not (Ts - t_first - t_second) / 4t_b = t_a + t_first;t_c = t_b + t_second;t_cm1   = t_b;t_cm2   = t_a;t_cm3   = t_c;break;case 2:   /*Sector 2: t_1st = Y     and t_2nd = -X  (Tcm1/2/3 ---> Ta,Tc,Tb)*/t_first     = MiddleTerm_Y;t_second    = -MiddleTerm_X;//  过调制处理if(t_first + t_second > 1){t_firstaddsecond    = t_first + t_second;t_first             = __divf32(t_first,t_firstaddsecond);t_second            = __divf32(t_second,t_firstaddsecond);}t_a = (1 - t_first - t_second) * 0.5;      // ? why not (Ts - t_first - t_second) / 4t_b = t_a + t_first;t_c = t_b + t_second;t_cm1   = t_a;t_cm2   = t_c;t_cm3   = t_b;break;case 3:   /*Sector 3: t_1st = -Z    and t_2nd = X       (Tcm1/2/3 ---> Ta,Tb,Tc)*/t_first     = -MiddleTerm_Z;t_second    = MiddleTerm_X;//  过调制处理if(t_first + t_second > 1){t_firstaddsecond    = t_first + t_second;t_first             = __divf32(t_first,t_firstaddsecond);t_second            = __divf32(t_second,t_firstaddsecond);}t_a = (1 - t_first - t_second) * 0.5;      // ? why not (Ts - t_first - t_second) / 4t_b = t_a + t_first;t_c = t_b + t_second;t_cm1   = t_a;t_cm2   = t_b;t_cm3   = t_c;break;case 4:   /*Sector 4: t_1st = -X    and t_2nd = Z       (Tcm1/2/3 ---> Tc,Tb,Ta)*/t_first     = -MiddleTerm_X;t_second    = MiddleTerm_Z;//  过调制处理if(t_first + t_second > 1){t_firstaddsecond    = t_first + t_second;t_first             = __divf32(t_first,t_firstaddsecond);t_second            = __divf32(t_second,t_firstaddsecond);}t_a = (1 - t_first - t_second) * 0.5;      // ? why not (Ts - t_first - t_second) / 4t_b = t_a + t_first;t_c = t_b + t_second;t_cm1   = t_c;t_cm2   = t_b;t_cm3   = t_a;break;case 5:   /*Sector 5: t_1st = X     and t_2nd = -Y  (Tcm1/2/3 ---> Tc,Ta,Tb)*/t_first     = MiddleTerm_X;t_second    = -MiddleTerm_Y;//  过调制处理if(t_first + t_second >= 1){t_firstaddsecond    = t_first + t_second;t_first             = __divf32(t_first,t_firstaddsecond);t_second            = __divf32(t_second,t_firstaddsecond);}t_a = (1 - t_first - t_second) * 0.5;      // ? why not (Ts - t_first - t_second) / 4t_b = t_a + t_first;t_c = t_b + t_second;t_cm1   = t_c;t_cm2   = t_a;t_cm3   = t_b;break;case 6:   /*Sector 6: t_1st = -Y    and t_2nd = -Z  (Tcm1/2/3 ---> Tb,Tc,Ta)*/t_first     = -MiddleTerm_Y;t_second    = -MiddleTerm_Z;//  过调制处理if(t_first + t_second >= 1){t_firstaddsecond    = t_first + t_second;t_first             = __divf32(t_first,t_firstaddsecond);t_second            = __divf32(t_second,t_firstaddsecond);}t_a = (1 - t_first - t_second) * 0.5;      // ? why not (Ts - t_first - t_second) / 4t_b = t_a + t_first;t_c = t_b + t_second;t_cm1   = t_b;t_cm2   = t_c;t_cm3   = t_a;break;default:break;}EPwm1Regs.CMPA.bit.CMPA    =   (Uint16)(t_cm1*EPWM1_TIMER_TBPRD);EPwm2Regs.CMPA.bit.CMPA    =   (Uint16)(t_cm2*EPWM2_TIMER_TBPRD);EPwm3Regs.CMPA.bit.CMPA    =   (Uint16)(t_cm3*EPWM3_TIMER_TBPRD);
}

3.3 被控对象系统辨识

谈起被控对象辨识，简直说多了都是泪啊，这个控制系统竟然没有留和上位机的通信接口，我以前写过一个基于串口通信的控制调试软件，里面就包含了系统辨识的功能，而且是集美貌与才华于一身的软件，我还给她取了一个名字：Angela。Angela就像我的女儿一样，必须给大家介绍一下。

Angela运行视频

Angela不仅支持DSP，她还有一个同卵双胞胎AngelaS（支持在STM32平台上使用），AngelaS用到的核心技术之一可以参考STM32_上位机高效通信技术_stm32用v9如何使用上位机_江湖上都叫我秋博的博客-CSDN博客。

好了，收！别过度沉迷Angela，安利结束。 回过头来，我们还需要面对现实。得益于CCS强大的功能，虽然DSP没有留和上位机的通信接口，但是我们仍然可以实现无通信接口系统辨识。详情请看如下三篇博客。

DSP_CCS7实现变量的导出与MatLAB读取_ccs怎么导出数组数据_江湖上都叫我秋博的博客-CSDN博客

DSP_定义一个大的全局数组_探索之路_江湖上都叫我秋博的博客-CSDN博客

DSP_无通信接口系统辨识_江湖上都叫我秋博的博客-CSDN博客

3.4 电流环与速度环的PI控制器设计

辨识完了被控对象，设计控制器还不是轻轻松松，本小节的内容，并不会告诉大家PI参数怎么整定（这个我也不会），但是我会告诉大家一个利用MatLAB设计PI控制器的小技巧。这东西还是有点妙的。

在我们辨识得到的被控对象之后

 可以利用sisotool把辨识得到的被控对象导入

 导入被控对象后，就可以自动整定PI参数

使用上诉提到的方法得到PI控制器，基本的闭环控制一般都没问题，包括id iq电流环、速度环。但是要想得到更好的精度，那就需要微调和各种优化了。

3.5 控制精度优化

由于三相开关霍尔所得到的电角度分辨率太低！（真的是低得扣脚了），另外我对FOC的电流环、速度环优化控制方法学习不够，所以速度环闭环精度总是达不到理想的效果，为了达到更好的速度环闭环精度，我调了接近两周的控制参数。下面总结一下我认为有效的优化方法。

1、优化电角度估计（匀速模型）	√
2、电流环不加惯性环节	√
3、id、iq添加前馈去耦合（但各参数我都不知道，就瞎调了几个参数）	×
4、ia、ib、ic、id、iq添加低通滤波（我做实验是真的没效果）	×
5、提高电流环开环执行频率（有提升，但不大）	√
6、ia ib的电流采集使用多通道，然后取均值的方式	×
7、ia ib的电流解算的偏置量，使用取前1000个电机不运行数据的均值	×
8、电流环的控制器设计成二阶（两个积分环节）	×

各位大佬有什么好的文献或者优化思路，望不吝赐教，评论区|私信 走起。

4 结束语

放个电机的运行视频吧，精度还不够，大家看个热闹吧

PMSM运行视频

愿我们共同进步！ 感谢您的阅读，欢迎留言讨论、收藏、点赞、分享。