研旭着力于嵌入式领域、电气领域进行上下游产品的研发、生产、销售

产品展示

首页

产品展示

PRODUCTS

基于DSP28335的永磁同步电机SMO无感控制实战教程

永磁同步电机（PMSM）在高速、低噪声和高效率场合应用广泛，但如果完全依赖机械编码器，系统成本、布线复杂度和抗干扰要求都会上升。滑模观测器（SMO）控制的目的，是利用已知的电压、电流和电机参数估算反电动势，再由PLL得到转子电角度和速度，使电机具备无位置传感器运行能力。本文围绕“YXDSP-EMBOXC-01 PMSM-100W-SMO”工程中的实际代码展开，重点说明工程的SMO观测器设计、PLL角度估算、编码器到估算角度的切换条件，以及实验调试时应观察的变量。

关键词：

永磁同步电机

SMO

滑模观测器

YXDSP-EMBOXC

带载实验箱

所属分类：

嵌入式开发套件

嵌入式开发板

DSP实验箱

联系我们

产品描述

前言

永磁同步电机（PMSM）在高速、低噪声和高效率场合应用广泛，但如果完全依赖机械编码器，系统成本、布线复杂度和抗干扰要求都会上升。滑模观测器（SMO）控制的目的，是利用已知的电压、电流和电机参数估算反电动势，再由PLL得到转子电角度和速度，使电机具备无位置传感器运行能力。

本文围绕“YXDSP-EMBOXC-01 PMSM-100W-SMO”工程中的实际代码展开，重点说明工程的SMO观测器设计、PLL角度估算、编码器到估算角度的切换条件，以及实验调试时应观察的变量。

一

SMO控制原理

1.1 观测器输入与电流模型

SMO从α/β轴电压和电流出发，建立估计电流模型。工程中Ts=0.0001s，与10kHz PWM中断对应；电机电阻Rs和电感Ls在main.c中被赋值为0.182Ω和2.4e-4H。电流模型建立如下：

式中，Valpha、Vbeta表示SVPWM输出电压，Zalpha、Zbeta表示反电势估计值。

1.2 滑模校正与PLL估算

工程采用sigmoid形式的连续滑模函数，降低理想符号函数带来的抖振，函数如下：

其中，e_l是电流误差。反电势估计值Z_alpha/Z_beta经过0.97低通后得到E_alpha/E_beta，再经过PLL后输出电角速度，最后电角速度经过积分获得电角度。PLL误差输入公式如下：

估算角速度经过0.99低通后通过换算得到机械转速，源码中的1.9098来自30/5π，其中5为极对数。电角速度和机械转速转化公式如下：

1.3无感切换

该工程启动阶段先开环牵引并等待QEP index，这个变量作为编码器零位置点的事件标志体现。当确定编码器零点后，电机低速运行阶段仍用编码器角度控制，同时SMO程序跟踪编码器角度。

当motor_dat.speed < -500rpm后，将经过1.58rad固定电角度补偿的SMO估算角度接入控制角度。该估算电角度被用于反帕克计算的输入。1.58是由电机在期望转速运行时，SMO观测电角度和实际电角度之间做差获取的。

二

硬件设计与故障指令

2.1 硬件整体架构

本教程使用研旭小功率电机带载控制实验箱完成，包括DSP28335主控、100W PMSM样机、24V直流母线、三相电流和母线电压采样、RS232接口的2500线光电编码器反馈以及XDS200仿真器。硬件接线图如下：

2.2接线检查和故障指令

GPIO48和GPIO59参与PWM/辅助使能，故障动作中会同时DisablePWM和DisablePWM1。

GPIO12配置为TZ1作为硬件过流故障指示信号，一旦触发，程序通过fault_action关断输出并清除运行状态。

母线瞬时过压阈值为40V，平均欠压阈值为22V，恢复运行条件为大于23V。

三

软件环境与工程架构

3.1 开发环境配置

工程为CCS C2000项目，目标器件配置为TMS320F28335，编译优化等级2，链接命令文件为28335_RAM_lnk.cmd。源码文件位于source目录，头文件位于include目录，调试输出位于Debug目录。

3.2 工程文件结构

表1 工程文件结构

文件	关注内容
main.c	SMO控制参数、开环启动、观测器输入、角度/速度切换
SMO.c	估计电流、滑模校正、反电动势滤波、PLL估算
DSP2833x_UserDefine.h	SMO结构体、PWM装载宏定义
DSP2833x_EQep.c	eQEP2位置计数、1ms速度更新和index事件
DSP2833x_EPwm.c / svpwm.c	10kHz控制周期和SVPWM输出

四

工程参数与关键逻辑

4.1 工程参数

表2 SMO工程参数

参数/变量	当前配置	配置理由
Speed_set	默认-1000rpm，通信限幅±3000rpm	当前工程以反向运行验证SMO切换
速度斜坡	1ms变化0.3rpm	减小开环启动切入闭环控制时的冲击
Id/Iq电流环	Kp=0.2，Ki=0.05，Out=±24，Err=±10	与24V母线和小功率平台匹配
速度环	Kp=0.01，Ki=0.01，Out=±10，Err=±200	速度环输出作为Iq参考，限制转矩电流
smo.Rs	0.182Ω	参与估计电流模型，低速下影响明显
smo.Ls	2.4e-4H	决定电压到电流变化率的比例
smo.Ts	0.0001s	与10kHz PWM/SMO计算周期一致
smo.Kslide	6.0	适用2000rpm以内，应大于电机反电势
PLL参数	Kp_pll=40，Ki_pll=0.05	决定估算角度收敛速度和低速稳定性，同时决定了估算角度滞后的大小
滤波系数	反电势滤波0.97，速度滤波0.97	在抖振、噪声和相位滞后之间折中
角度补偿	1.58rad	SMO估算角度的固定补偿
切换阈值	-500rpm	500rpm时，电机反电势被建立

代码摘录：最终SMO参数

smo.Kp_pll = 40;

smo.Ki_pll = 0.05;

smo.Rs = 0.182f;

smo.Ls = 2.4e-4f;

smo.Ts = 0.0001f;

smo.Kslide = 5.0f;

4.2 观测器计算

SMO_calc用于观测计算变量，输入变量I_alpha、I_beta、U_alpha、U_beta。实现路径为“估算电流→滑模校正→估算反电动势→PLL计算速度/角度”。

代码摘录：SMO核心逻辑

I_alpha_dot = (-v->Rs / v->Ls) * v->I_alpha_est + (1.0f / v->Ls) * v->V_alpha - (1.0f / v->Ls) * v->Z_alpha;

v->I_alpha_est += v->Ts * I_alpha_dot;

current_error_alpha = v->I_alpha_est - v->I_alpha;

v->Z_alpha = v->Kslide * (2/(expf(-1*current_error_alpha)+1)-1);

v->E_alpha = LPF(v->Z_alpha, v->Z_alpha1, 0.97);

v->err = -v->E_alpha * sin_pll - v->E_beta * cos_pll;

v->err_sum += v->Ki_pll * v->err;

v->omega_pll = v->Kp_pll * v->err + v->err_sum;

v->Theta_est += v->omega_pll * v->Ts;

v->Speed_est = -LPF(v->omega_pll, v->omega_pll1, 0.99);

v->Speed_rpm = v->Speed_est * 1.9098;

4.3 开环启动与无感切换

SMO低速时反电动势较弱，观测值不准，因此工程先用开环SVPWM牵引转子，并用QEP index确认转子0位置。进入闭环后持续运行SMO进行跟踪，当速度达到-500rpm阈值后再把SMO估算角度和速度反馈接入控制。

代码摘录：SMO输入与切换条件

if(!start_done)

{

svgen.Ualpha = 0.05 * cos(step * 0.0031416);

svgen.Ubeta = 0.05 * sin(step * 0.0031416);

}

if(EQep2Regs.QFLG.bit.IEL)

{

start_done = 1;

}

smo.I_alpha = -I_clarke.Valpha;

smo.I_beta = -I_clarke.Vbeta;

smo.V_alpha = svgen.Ualpha * Vdc;

smo.V_beta = svgen.Ubeta * Vdc;

SMO_calc(&smo);

mech_err = fmodf(I_park.PAngle, TWO_PI) - (TWO_PI - smo.Theta_est - 1.58);

if(motor_dat.speed < -500 && smo_set)

{

I_park.PAngle = TWO_PI - smo.Theta_est - 1.58;

Speed_pidreg.Fdb = smo.Speed_rpm;

}

if(motor_dat.speed<-500 && smo_set)

Speed_pidreg.Fdb=smo.Speed_rpm;

4.4 QEP对照基准

eQEP2仍然是启动牵引和估算结果对照的基准。工程用1ms位置差计算motor_dat.speed，并用QPOSCNT×0.0031416得到编码器记录的电角度，用于与SMO估算电角度比较。

五

实验运行与观察

建议先保持默认Speed_set = -2000rpm，观察低速编码器角度闭环和SMO角度接入两个阶段中的编码器角度、估算角度和反电势E_alpha/E_beta。

表3 建议仿真器观察的实验变量

记录对象	变量	用于说明的问题
启动牵引	start_done	是否完成开环定位和index捕获
采样与电压	Ia / Ib / Ic / Vdc	采样转化比例和电流电压方向核对
观测器电流	smo.I_alpha/I_beta / smo.I_alpha_est/I_beta_est	估计电流能否跟随实测电流
滑模输出	smo.E_mag / Kslide	反电动势是否稳定，Kslide是否合理
PLL输出	smo.err / omega_pll / Theta_est / Speed_rpm	估算角度和速度是否收敛
角度对照	I_park.PAngle / motor_dat.theta_mech / mech_err	编码器角度与SMO角度偏差
切换效果	Speed_set / motor_dat.speed	控制切换时速度是否平滑
保护状态	run_sts.fault1/fault2	启停控制、故障监测