本文介绍了永磁同步电机的FOC控制，涵盖FOC算法、坐标变换、PID控制器、SVPWM、电流检测和转子位置提取等内容，概述了控制流程和原理，帮助读者入门电机控制技术 目录 0. 前言 1. 什么是FOC 2. FOC控制和六步换相控制的区别 3. FOC的原理 4. FOC到底在控制什么 5. FOC涉及到的坐标变换 4.1 Clark变换（三相静止坐标系 to 两相静止坐标系） 4.2 Park变换（两相静止坐标系 to 两相旋转坐标系） 4.3 反Park变换（两相旋转坐标系 to 两相静止坐标系） 6. FOC如何控制的电机的转速 0. 前言 前段时间做了一个永磁同步电机无感控制的项目，想总结一下，做个比较基础易懂的文章方便大家入门，主要介绍以下几个方面： 1.FOC控制算法、坐标变换 2.PID控制器 3.SVPWM 4.过调制 5.相电流检测及重构（单电阻、双电阻及三电阻采样） 6.转子位置及速度提取（滑膜观测器、低通滤波器、锁相环） 7.PMSM无感控制的启动 计划写完上述内容后再开始写一些别的控制算法（MTPA、弱磁控制、电流前馈补偿、高频注入等） 1. 什么是FOC FOC 是一种电机控制技术，全称为 Field Oriented Control（磁场定向控制），也称作矢量控制。该技术可以提高电机的效率、控制稳定性和精度，广泛应用于电机驱动系统中，是目前无刷直流电机（BLDC）、永磁同步电机（PMSM）、感应电机的高效控制的最优方法之一。 2. FOC控制和六步换相控制的区别 控过无刷直流电机BLDC的小伙伴应该都知道有六步换相控制，FOC控制和六步换相控制都是用来控制电机的方法，但它们的原理和控制方式略有不同。 六步换相控制是一种较为简单的电机控制方法，它将电机的六个电极分为三个相，每个相对应两个电极，然后通过依次通电、断电，来实现电机的转动。这种控制方式对电机的控制比较粗略，不能实现对电机转速和转矩的精确控制。 FOC控制则是一种更为精确、先进的控制方式。它将电机的空间磁场分解成水平和垂直两个分量，然后对这两个磁场分量分别进行控制。通过调节两个磁场分量的大小和相位差，就可以实现对电机的精确控制，包括转速、转矩、效率等方面。相对于六步换相控制，FOC控制可以使电机效率更高，噪音更小，并且可以实现更佳的控制性能。缺点是FOC控制需要更高的计算能力和控制算法，因此复杂度比六步控制要高，对控制芯片会有更高的要求。 3. FOC的原理 FOC的双环控制（电流环、速度环）内环为电流环，外环为速度环。 双环控制通过控制电流的大小可以实现电机转速的精确控制，整个双环控制的框图如下图所示： 图中foc的内环分为六个步骤（Step1、Step2、Step3、Step4、Step5、Step6），涉及三个坐标系（三相静止坐标系(A-B-C)、两相静止坐标系(α-β)、旋转坐标系(d-q)）、三种坐标变换方法（Clark变换、Park变换、反Park变换）、一个控制算法（PID控制算法）、一个脉宽调制方法（SVPWM）、一个转子位置及角速度估算方法,大家先记住有这些东西，不理解没关系，我们先对着框图梳理一下FOC的整个流程，之后再给大家一一讲解。 FOC的整个过程是这样的： 1.采集三相电流IA、IB、IC； 2.将三相电流进行Clark变换得到两相静止坐标系下的电流Iα、Iβ； 3.再将Iα、Iβ进行Park变换得到旋转坐标系下的电流Id、Iq； 4.利用Iα、Iβ和Uα、Uβ利用观测器估算出转子的转速Speed_est以及角度θ； 5.计算转子的实际转速Speed_est与设定的目标转速Speed_ref的误差 6.将误差丢入PI控制器，执行器输出Iq_ref；(肯定会有人疑问为什么Id_ref=0，这个后面会讲到) 7.计算Id、Iq与设定值Id_ref、Iq_ref的误差； 8.将误差分别丢入PI控制器，执行器分别输出Ud、Uq； 9.Ud、Uq进行反Park变换得到Uα、Uβ； 10.最后Uα、Uβ经过SVPWM变成作用在三相上的电压UA、UB、UC； 看完这里肯定有人一头雾水，FOC控制它到底在控制什么？？？这些变换到底是在干么？？？为什么要变来变去？？？ 大家先了解一下这个框图就行，看完后面的内容再回过头来看这个框图就会恍然大悟了。上面这些问题接下来我会一一讲解。 4. FOC到底在控制什么 我们用手或者外部的其他机构匀速转动PMSM，用示波器观察它的三相电压，会看到如下的波形： 波形是三个两两相差120°的正弦电压波形，那么反过来我们在三相上输入三个相位相差120°的正弦电压，电机就会匀速转动起来。那我们输入的电压是正弦的那激励出来的电流是不是也是正弦，这样的话我们通过采集电流的波形，控制电流按照正弦波去变化，电机就能旋转起来了。（在这里先埋两个坑，后面讲SVPWM时再给填上，大家想一下SVPWM模块输出的端电压波形是不是正弦的？？？是不是只有正弦的端电压才能激励出正弦的相电流？？？） 综上所述FOC控制其实就是在控制三相电流按照正弦变化，同时控制三个变量按照幅值不变的正弦波一样变化是很困难的，控制器设计也很复杂，因此我们需要简化控制变量，这时候就轮到Clark和Park变换出场了。 现在大家知道FOC控制的变量什么了吧，就是在控三相电流，让三相电流按照正弦变化。 5. FOC涉及到的坐标变换 4.1 Clark变换（三相静止坐标系 to 两相静止坐标系） 首先我们要定义一个三相静止坐标系，以电机A相的方向画出三相静止坐标系的A轴，逆时针相差120°画出B轴，同样这样画出C轴。这三个轴上的基向量是非正交的，我们是不是可以通过某种变换将三相静止坐标系里面的向量变换到两相静止坐标系？ 通过Clark变换我们可以达到上述目的，变换后的坐标系命名为两相静止坐标系 α-β ，α轴的方向与电机A相的方向相同，β轴垂直于α轴，变换公式如下(乘以2/3是为了等幅值变换)： 把我们要控制的三相电流进行Clark变换，变换后的波形依旧是正弦波，不过我们要控制的变量少了一个。 变换前后的波形如下： 虽然说我们要控制的变量少了一个，但是被控量依旧是两个非线性的量，不适合用PID这类线性控制器，因此我们要想办法把它线性化，通过Park变换我们可以达成该目的。 4.2 Park变换（两相静止坐标系 to 两相旋转坐标系） 接下来我们要建立一个新的坐标系两相旋转坐标系 d-q，它是随着电机的转子不停旋转的，我们以转子的磁场方向（转子N极方向）为d轴正方向，以垂直于转子磁场的方向为q轴方向，d轴可以称为直轴，q轴称为交轴，旋转坐标系 d-q与两相静止坐标系 α-β的夹角是θ。 我们可以把两相静止坐标系上的电流变换到旋转坐标系上，变换公式如下： 把α-β坐标系下的电流进行Park变换，变换后我们会发现，两相旋转坐标系下两个控制变量都被线性化了： 那么原来需要我们控制的三个非线性的量，就被我们简化成了两个线性的量，所以接下来我们就可以使用线性控制器PID了，用这两个值作为反馈控制的对象，通过反馈不断的调整Ud和Uq，从而使激励出来的电流Id、Iq达到我们想要的参考值Id_ref、Iq_ref。 4.3 反Park变换（两相旋转坐标系 to 两相静止坐标系） 第2章开头我们讲了FOC的内环（电流环）控制框图，我们可以看到Step#3的PI控制器的输出是Ud和Uq，但是Ud和Uq是不能直接作用在电机的三相上面的，所以我们得再将dq轴的电压向量再反变换回去，得到能作用在电机三相上的相电压Ua、Ub、Uc。这时有人会问了，那反变换回去不是首先反Park变换再反Clark变换就行了，为什么最后一步是SVPWM而不是反Clark变换？？？ 这个我们后面讲SVPWM时再讲为什么不是反Clark，我们先看一下反Park变换。反Park变换顾名思义是将Park变换后得到的dq轴上的向量给变换回去得到αβ轴上的向量。 其变换公式如下： 变换前后的波形如下图所示： ok到这里foc的大致流程就过了一遍，下一篇文章我会详细讲解PID控制器的作用原理，在之后就来填上SVPWM埋下的坑。 6. FOC如何控制的电机的转速 前面我们将了FOC其实就是在控制电机的电流大小来使得电机转动的，由于控制三相电流比较麻烦，所以我们用了Clark和Park变换，使得控制的电流线性化了，得到了Id和Iq。 那么Id和Iq是如何影响电机转动的呢？如果想让电机加速或者减速我们应该怎么控制Id和Iq的大小呢？ 首先我们知道电机转动，是因为受到了力的作用，这个力是由磁场产生的，我们叫它电磁转矩，记作Te，Te的公式如下： 式中P为极对数，Ψf为永磁体磁链，Ld、Lq分别为d、q轴的电感，id、iq分为别为d、q轴电流。 对于表贴式的电机Ld和Lq是相等的，内嵌式的电机Ld一般小于Lq； 如果我们控制的是表贴式的电机大括号里的第二项就消掉了，电磁转矩Te的大小只与Iq相关，增大Iq，Te随之增大，电机的角加速度随之变大； 如果我们控制的是内嵌式的电机，电磁转矩Te的大小与Id、Iq相关，增大Iq，Te随之增大，电机的角加速度随之变大，并且若Id为负值时，可以产生正向的电磁转矩，负地越大，Te越大，电机的角加速度越大。 本系列文章都是针对表贴式电机来讲解地，因此Ld与Lq相等，只需要把Id电流控制到0就可以了，这也就是为什么前面FOC框图里面地Id_ref = 0的原因。 7. 总结 本节主要讲了FOC的大致流程，带大家先了解FOC到底是个什么东西在做什么，各个模块具体的原理会放到后面的章节详细讲解。 FOC其实就是通过控制，相电流按照正弦变化，从而产生出旋转的磁场，控制电机转子转动。具体流程包括以下几个步骤： 通过测量电机运行时的三相定子电流，得到Ia、Ib、Ic。 将三相电流通过Clark变换转化为两相电流Iα和Iβ，这是两个正交的电流信号。 Iα和Iβ通过Park变换得到旋转坐标系下的电流Id和Iq。 Id的参考值决定了电机转子磁通量，Iq的参考值决定了电机的转矩输出大小。二者各自的实际值与参考值进行比较得到的误差，作为电流环PI控制器的输入。通过PI控制计算输出得到Vd和Vq，即要施加到电机绕组上的电压矢量。 利用观测到的电机角度，Vd和Vq经过Park逆变换到两相静止坐标系上。该计算将产生下一个正交电压值Vα、Vβ。再采用SVPWM算法判定其合成的电压矢量位于哪个扇区，计算出三相各桥臂开关管的导通时间。最后经过三相逆变器驱动模块输出电机所需的三相电压。
目录 1.上拉电阻 2.下拉电阻 3.主要作用 电阻在电路中起限制电流的作用，而上拉电阻和下拉电阻是经常提到也是经常用到的电阻。在每个系统的设计中都用到了大量的上拉电阻和下拉电阻，这两者统称为“拉电阻”，最基本的作用是：将状态不确定的信号线通过一个电阻将其箝位至高电平(上拉)或低电平(下拉)，但是无论具体用法如何，这个基本的作用都是相同的，只是在不同应用场合中会对电阻的阻值要求有所不同，下面一起来了解它们吧： 1.上拉电阻 (1)概念：将一个不确定的信号，通过一个电阻与电源VCC相连，固定在高电平。 图1 上拉电阻 (2)原理：在上拉电阻所连接的导线上，如果外部组件未启用，上拉电阻则“微弱地”将输入电压信号“拉高”。当外部组件未连接时，对输入端来说，外部“看上去”就是高阻抗的。这时，通过上拉电阻可以将输入端口处的电压拉高到高电平。如果外部组件启用，它将取消上拉电阻所设置的高电平。通过这样，上拉电阻可以使引脚即使在未连接外部组件的时候也能保持确定的逻辑电平。 2.下拉电阻 概念：将一个不确定的信号，通过一个电阻与GND相连，固定在低电平。 图2 下拉电阻 3.主要作用 下拉电阻的主要作用是与上接电阻一起在电路驱动器关闭时给线路(节点)以一个固定的电平。 (1)提高电压准位： a)当TTL电路驱动COMS电路时，如果TTL电路输出的高电平低于COMS电路的最低高电平(一般为3.5V)， 这时就需要在TTL的输出端接上拉电阻，以提高输出高电平的值。 b)OC门电路必须加上拉电阻，以提高输出的高电平值。 (2)加大输出引脚的驱动能力，有的单片机管脚上也常使用上拉电阻。 (3)电阻匹配，抑制反射波干扰：长线传输中电阻不匹配容易引起反射波干扰，加上下拉电阻是电阻匹配，有效的抑制反射波干扰。 (4)N/Apin防静电、防干扰：在COMS芯片上，为了防止静电造成损坏，不用的管脚不能悬空，一般接上拉电阻产生降低输入阻抗，提供泄荷通路。同时管脚悬空就比较容易接受外界的电磁干扰。 (5)预设空间状态/缺省电位：在一些CMOS输入端接上或下拉电阻是为了预设缺省电位。当你不用这些引脚的时候，这些输入端下拉接0或上拉接1。在I2C总线等总线上，空闲时的状态是由上下拉电阻获得 (6)提高芯片输入信号的噪声容限：输入端如果是高阻状态，或者高阻抗输入端处于悬空状态，此时需要加上拉或下拉，以免收到随机电平而影响电路工作。同样如果输出端处于被动状态，需要加上拉或下拉，如输出端仅仅是一个三极管的集电极。从而提高芯片输入信号的噪声容限增强抗干扰能力。 以上就是上拉电阻与下拉电阻的作用介绍了。对于上拉电阻和下拉电阻的选择，应结合开关管特性和下级电路的输入特性进行设定;考虑的因素包括：驱动能力与功耗的平衡，下级电路的驱动需求，高低电平的设定，频率特性等等。
电驱系统主要包含电机、电机控制单元、减速器三部分： 多数时候，用户需求决定了产品技术的演进方向。 人们对动力单元的核心需求无外乎是： ①响应要快，动力要猛； ②效率要高，能耗要省； ③故障率低，皮实耐用，稳定可靠。 更多的潜在需求在于： ①集成度足够高，给车内及前后备箱腾更多空间；②成本合理（最终会反映到车价上）；③高转速时不要啸叫吵人； 下图汇总了电车动力单元的核心要素，其实电驱系统的技术和进化都是围绕着这几个方面展开的。 1、电机动力目前已经够用，压榨潜力和必要性不大 在电驱最重要的“动力”属性上，目前大多数的电车都存在动力过剩现象，以36w+的特斯拉 Model3P 为例，加速可以秒掉200w左右的性能油车，3w的宏光MiniEV 起步提速甚至要比很多油车要直接。 △ 部分高性能电机功率参数 也就是说，电机动力在目前在多数电车上已经够用，传统油车的大马力溢价，在电车上已经变得不值钱。上图列出的高功率密度电机，给人的感觉就是电车马力跟白给似的... 车企与其在现有绰绰有余的电机功率上，再花大成本研发新的动力品台，提高动力参数，倒不如把成本分摊到其他用户更能感知的地方。 △ ModelS Plaid 和 Lucid Air 蓝宝石版参数对比 当然，对于少数追求绝对动力加速的性能电车，如特斯拉ModelS Plaid、Lucid Air sapphire、悍马EV、保时捷Taycan TurboS等车型。 这里面有一些新的提升动力的关键技术： 如扁平绕组线圈、端部换位提高槽满率、优化转子结构等方法提高磁满率，进一步提高电机功率和功率密度。 近几年也越来越多车型搭载直瀑式油冷电机，让电机冷却降温更高效，帮助功率输出连续不衰减。 也有通过智能算法优化电机动力输出，来实现更好的动力、能耗、操控稳定的。 个人觉得认为上面的技术都算是电驱核心技术！ △ 部分电机新技术梳理 2、电机能效已接近瓶颈，提升能效需要指望碳化硅的应用 基于第1部分，电机动力对多数用户已经够用甚至过剩的前提，下图是某电机能效Map图，可以清楚看到，在多数日常使用转速区间内，电机的能效都是在90%以上的。 而且目前多数新能源车型搭载的电机最佳能效在90%~95%，甚至部分高效电机达到了96%，此时想要在现有基础上继续提升电机能效，付出的成本将是倍数级增加，对于车企和用户都不那么太划算。 △ 某电机能效MAP图 于是提高电机控制单元中的主逆变器能效，成为提升整个电驱系统能效的新方向。 也就是用SiC碳化硅模块替代目前主流的IGBT模块！ △ 碳化硅材料优点 碳化硅SiC MOSFET 的优点有很多，体积小利于封装和集成、开关/导通响应快且损耗更小、耐压值高（是硅基的10倍）、导热率高利于散热，及更高的功率密度等。 △ 碳化硅优势原理解析 最重要的是使用SiC碳化硅模块的电机控制单元，相比IGBT模块方案，可以实现从电池到电机路径，约5%的效率提升，也就是能给整车省去约5%的能耗。 相比车企多用5%续航所对应的电池成本，还徒增车重带来的负面影响，即便是当前成本相比IGBT更高的碳化硅模块，也是最好的选择！ △ 特斯拉Model3 逆变器采用24颗SiC模块△ 搭载碳化硅模块的车型 上图基于水印图源做二次整理。 另外相比IGBT，碳化硅更耐高压的优势（千伏以上），更适用于后续更多新能源车型将要搭载的800v电气架构，不止用在主逆变器上，还可以应用到高压充电桩、高压电池Pack、OBC充电机、DC-DC转换器上，将有更大的用武之地，能给整车能效和充电体验带来进一步提升！ △ 碳化硅器件在新能源车中的应用 这里要特别表扬下国产品牌比亚迪，BYD是全球唯一实现碳化硅器件自研自产的车企！ 3、集成化大有可为，已是大势所趋，跨系统整合能力会是最核心的技术竞争力，用户价值更高！ 上面主要谈的是电驱系统单个零部件的升级和优化，电驱系统零部件的多合一大集成目前已是行业大势所趋！ △ 比亚迪八合一电驱总成 高度集成的电驱系统，优势有很多： 大大节省体积和减重、降低整体BOM成本、提高一体化装配效率、提高电驱系统整体功率密度等... 对于用户的价值在于，小体积省去更多Layout空间，能得到更大的车内空间和前后备箱容积；减轻重量意味着相同电量能跑更长的续航里程；同时BOM降本也间接降低了用户的购买成本。 电驱系统的演进历史，大致可以分为3个阶段： 15~17年的分体式三大件→18~20年三合一成为主流→21~现在的多合一大集成阶段。 下图整理了电驱系统的演进路线，更加直观易懂！ △ 电驱系统发展演进路线 虽然多合一只是多系统零部件的组合集成，但跨部件、跨领域的系统集成，是非常考验技术和工程能力的，目前只有为数不多有积淀的大厂能够做到。 相比于电机功率提升和能效优化，多合一大集成的所带来的综合收益会更加明显，是当之无愧的新能源汽车电驱系统最重要的核心技术之一！ 4、写在最后的一些感想 正如文中所看到的，中国新能源汽车换道超车在近5年内，无论在电池领域 、电驱领域、以及核心零部件、及核心技术领域，其实已经走在世界前列，成效显著，令人振奋！ 就电驱系统领域而言，国外车企中特斯拉和Lucid在这个领域相对领先，Tire1中博世、大陆、博格华纳、采埃孚等有很多产品和布局，但我们国内有如比亚迪、华为、精进、蔚来XPT等企业也同样掌握诸多Knowhow，甚至还领先半个身位。 国内日渐成熟完善的新能源汽车配套生态，将会成为国产新能源汽车崛起，领先全球的重要推力。 可以预见的是，随着新能源汽车渗透率的不断提高，国产新能源车将不断替代动作缓慢的合资/外资品牌，同时打破合外资品牌的溢价，抢占到更多市场占有率！
来源：发动机技术 中国车用电机在全球资源条件下具有明显的比较优势，发展潜力较大。从新能源汽车的产业链来看，受益端将主要集中在核心零部件领域。国内车用驱动电机行业现状：电机业中的小行业、但制造...
文章中讨论的其他器件：AM2634-Q1电动汽车 (EV) 牵引逆变器是电动汽车的核心。它将高压电池的直流电转换为多相（通常为三相）交流电以驱动牵引电机，并控制制动产生的能量再生。电动汽车电子产品正在从 40...
文章目录 4.1.理论分析 4.2.实际波形 4.3.MOS关断时的尖峰电压问题 1.三相逆变电路 2.导通原理 3.方波六步换相时序分析 4.死区问题 5.带死区的互补载波电流流向分析 1.三相逆变电路 2.导通原理 如上图所示，为一相的逆变桥。上下MOS管不能同时导通，那么可以有几种控制方式： PWM控制上管，下管电平控制（恒高或者横低）； PWM控制下管，上管电平控制； 上下管都是PWM控制； 某个管的控制可以是PWM控制和电平控制都有。 方式3称为互补载波，也就是上下管的PWM是互补的，这样才能不同时导通。 方式1和2这两种方式又称为单桥臂载波，在方波六步换相控制时使用较多。这两种方式中常用的是第1种方式，原因是MOS管用的是N管。上管的MOS管想要正常工作，需要给自举电容充电（注意是外部的自举电容，而非GS结电容）。如下图所示，为自举电容的充电电路。如果用方式1，即上管PWM下管电平，那么下管始终打开，不会影响自举电容的充电，自举电容充电速度快。如果用方式2，即上管电平下管PWM，那么在速度很低、PWM占空比很小的时候，下管的PWM占空比会影响自举电容的充电，有可能导致自举电容充电充不满，此时上管可能无法正常打开或者关闭。 PS：如果上管是P管，那么就不需要自举电容。但是P管价格贵，且功率相对N管低。 3.方波六步换相时序分析 根据霍尔跳变沿可以获得对6个MOS管的控制顺序，这里先假设直到这个控制顺序，为M1M2->M2M3->M3M4->M4M5->M5M6->M6M1->M1M2。先以M1M2导通为例，如下图随时，使用上管PWM下管电平控制的方式。 当M1的PWM处于ON的时候，电流流向如下： 当M1位OFF的时候，由于电机线圈为感性负载，所以需要续流，此时只能通过MOS管的体二极管进行续流，如下图所示。此时体二极管导通后会将UW等效的电流源两端电压钳位到0.7V，所以此时电流源两端压差很小，根据U=Ldi/dt可知放电时间会很长，故此时的续流称为慢续流。相对快续流而言，慢续流电流下降慢，维持力矩时间长。如果是快续流的话，绕组内会存在一段时间没有电流，就不会对外提供力矩了。 慢续流的方式靠MOS管的体二极管来续流，如果时间比较长那么体二极管发热大，续流损耗也变大。所以有的时候当M1关闭后可以打开M4，让续流经过MOS管的S到D，也就是使用Rdson来续流，这样损耗就会变小。此时的模式就是互补载波模式了。 4.死区问题 4.1.理论分析 对于上下管都使用PWM控制的方式，在波形跳边沿的地方，存在死区问题。由于MOS管的开关是对GS结电容进行充放电，当电压跳过GS阈值电压时，MOS管的开关状态就发生变化。那么如果PWM不加入死区控制，可能导致一个MOS还没关闭，另一个MOS就开通了，也就是同一桥臂的两个管子同时导通，电源短路。 此时解决办法是加入PWM死区，也就是让PWM1L提前变成OFF，让PWM1H延后变成ON。即同时增加两个波形都为OFF的时间，这样两个MOS管都处于关闭的状态，如下图所示。 这个死区时间在实现功能的基础上肯定是越小越好，因为死区时间太长的话PWM的最大占空比做不上去，电机的功率也就上不去。死区时间从单片机PWM到驱动电路再到MOS管的栅极都有一定的硬件延时，所以具体时间需要根据调试确定。可以通过提高MOS管的充放电速度来减小死区时间，但是可能会带来其他问题，比如震荡、EMC问题等。 此外死区时间的设置（注意是设置，不是真正的死区时间，真正的死区时间只与硬件电路有关）与载波频率也有关。因为载波频率越高，周期越小，相同的死区时间的情况下占空比就越小，电机的空滤就提不上去。所以有时候电机功率做不上去会通过降低载波的频率来提升电机功率。 一般载波频率在15KHZ到20KHZ，载频低了，电机会有噪音；载频高了，开关损耗太大。此时的死区时间初始值可设置为4us，然后在根据示波器调试确定最终的死区时间。 4.2.实际波形 如下图所示为实际的波形。黄色波形对应MOS管开通，可见他的开通已经增加了一段死区时间。黄色波形红圈圈出来的地方为米勒平台，一般可以认为在平台区MOS管就开通了。紫色波形对应MOS管关断，紫色波形红圈处有一个向上的凸起，这是因为同一桥臂的两个MOS管另种一个管子导通对另一个管子的影响，这个影响是由米勒效应导致的。 所以图中的波形已经比较危险了，紫色凸起再高一点就导致两个MOS同时导通了。所以实际调试中需要避免出现这种波形。 4.3.MOS关断时的尖峰电压问题 MOS关断的时候电流很短时间内变为0，有很高的di/dt，那么作用到电路的寄生电感上，很容易在DS端产生很高的L*di/dt这样的尖峰电压。 解决办法： 减缓MOS管的开关速度。本质上就是降低GS结电容的充放电速度，比如增加充放电回路的阻抗、并联GS电容、加大栅极电阻等。 在MOS管的DS端并联RC吸收电路。 以上两种方法尽量使用第一种方法进行解决。 5.带死区的互补载波电流流向分析 根据如下控制逻辑控制MOS管的通断。 先从红框分析，此时的电流流向如下： 在切换到下一个状态之前，M3和M6存在一个死区时间，如下图所示。 此时对应的电流流向如下图所示。此时M6关断，V相通过M3的体二极管续流。此时UV两相的压差被M3的体二极管钳位还是0.7V，所以V相的电流续流还是慢续流。 然后当M3打开的时候，如果前一时刻的电流续流没有结束，那么还会继续向上流，然后很快电流就向下流，所以可以忽略这里，直接认为M3导通的时候电流向下流即可，如下图所示。
PLC与变频器两者是一种包含与被包含的关系，PLC与变频器都可以完成一些特定的指令，用来控制电机马达，PLC是一种程序输入执行硬件，变频器则是其中之一。 但是PLC的涵盖范围又比变频器大，还可以用来控制更多的东西，应用领域更广，性能更强大，当然PLC的控制精度也更大。变频器无法进行编程，改变电源的频率、电压等参数，它的输出频率可以设为固定值，也可以由PLC动态控制。 PLC是可以编程序的，用来控制电气元件或完成功能、通信等任务。 PLC与变频器之间通信需要遵循通用的串行接口协议（USS），按照串行总线的主从通信原理来确定访问的方法。总线上可以连接一个主站和最多31个从站，主站根据通信报文中的地址字符来选择要传输数据的从站，在主站没有要求它进行通信时，从站本身不能首先发送数据，各个从站之间也不能直接进行信息的传输。 PLC基本结构图 PLC可编程控制器的存储器可以分为系统程序存储器、用户程序存储器及工作数据存储器等三种。 1、系统程序存储器 系统程序存储器用来存放由可编程控制器生产厂家编写的系统程序，并固化在ROM内，用户不能直接更改。系统程序质量的好坏，很大程度上决定了PLC的性能。 其内容主要包括三部分：第一部分为系统管理程序，它主要控制可编程控制器的运行，使整个可编程控制器按部就班地工作，第二部分为用户指令解释程序，通过用户指令解释程序，将可编程控制器的编程语言变为机器语言指令，再由CPU执行这些指令；第三部分为标准程序模块与系统调用程序。 2、用户程序存储器 根据控制要求而编制的应用程序称为用户程序。用户程序存储器用来存放用户针对具体控制任务，用规定的可编程控制器编程语言编写的各种用户程序。 目前较先进的可编程控制器采用可随时读写的快闪存储器作为用户程序存储器，快闪存储器不需后备电池，断电时数据也不会丢失。 3、工作数据存储器 工作数据存储器用来存储工作数据，即用户程序中使用的ON/OFF状态、数值数据等。在工作数据区中开辟有元件映像寄存器和数据表。其中元件映像寄存器用来存储开关量、输出状态以及定时器、计数器、辅助继电器等内部器件的ON/OFF状态。数据表用来存放各种数据，它存储用户程序执行时的某些可变参数值及A/D转换得到的数字量和数字运算的结果等。 变频器基本结构图 变频器是把工频电源（50Hz或60Hz）变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。 PLC与变频器一般有三种连接方法 ①利用PLC的模拟量输出模块控制变频器PLC的模拟量输出模块输出0～5V电压信号或4～20mA电流信号，作为变频器的模拟量输入信号，控制变频器的输出频率。这种控制方式接线简单，但需要选择与变频器输入阻抗匹配的PLC输出模块，且PLC的模拟量输出模块价格较为昂贵，此外还需采取分压措施使变频器适应PLC的电压信号范围，在连接时注意将布线分开，保证主电路一侧的噪声不传至控制电路。 ②利用PLC的开关量输出控制变频器。PLC的开关输出量一般可以与变频器的开关量输入端直接相连。这种控制方式的接线简单，抗干扰能力强。利用PLC的开关量输出可以控制变频器的启动／停止、正／反转、点动、转速和加减时间等，能实现较为复杂的控制要求，但只能有级调速。 使用继电器触点进行连接时，有时存在因接触不良而误操作现象。使用晶体管进行连接时，则需要考虑晶体管自身的电压、电流容量等因素，保证系统的可靠性。另外，在设计变频器的输入信号电路时，还应该注意到输入信号电路连接不当，有时也会造成变频器的误动作。例如，当输入信号电路采用继电器等感性负载，继电器开闭时，产生的浪涌电流带来的噪声有可能引起变频器的误动作，应尽量避免。 ③PLC与RS-485通信接口的连接。所有的标准西门子变频器都有一个RS-485串行接口（有的也提供RS-232接口），采用双线连接，其设计标准适用于工业环境的应用对象。单一的RS-485链路最多可以连接30台变频器，而且根据各变频器的地址或采用广播信息，都可以找到需要通信的变频器。链路中需要有一个主控制器（主站），而各个变频器则是从属的控制对象（从站）。 PLC的变频器控制电机正反转接线图 1．按接线图将线连好后，启动电源，准备设置变频器各参数。 2．按“MODE”键进入参数设置模式，将Pr.79设置为“2”：外部操作模式，启动信号由外部端子（STF、STR）输入，转速调节由外部端子（2、5之间、4、5之间、多端速）输入。 3．连续按“MODE”按钮，退出参数设置模式。 4．按下正转按钮，电动机正转启动运行。 5．按下停止按钮，电动机停止。 6．按下反转按钮，电动机反转启动运行。 7．按下停止按钮，电动机停止。 8. 若在电动正转时按下反转按钮，电动机先停止后反转；反之，若在电动机反转时按下正转按钮，电动机先停止后正转。 PLC与变频器的接线图 PLC和变频器通讯方式 1、PLC的开关量信号控制变频器 PLC（MR型或MT型）的输出点、COM点直接与变频器的STF（正转启动）、RH（高速）、RM（中速）、RL（低速）、输入端SG等端口分别相连。PLC可以通过程序控制变频器的启动、停止、复位；也可以控制变频器高速、中速、低速端子的不同组合实现多段速度运行。但是，因为它是采用开关量来实施控制的，其调速曲线不是一条连续平滑的曲线，也无法实现精细的速度调节。 2、PLC的模拟量信号控制变频器 硬件：FX1N型、FX2N型PLC主机，配置1路简易型的FX1N-1DA-BD扩展模拟量输出板；或模拟量输入输出混合模块FX0N-3A；或两路输出的FX2N-2DA；或四路输出的FX2N-4DA模块等。优点：PLC程序编制简单方便，调速曲线平滑连续、工作稳定。 缺点：在大规模生产线中，控制电缆较长，尤其是DA模块采用电压信号输出时，线路有较大的电压降，影响了系统的稳定性和可靠性。 3、 PLC采用RS-485通讯方法控制变频器 这是使用得最为普遍的一种方法，PLC采用RS串行通讯指令编程。优点：硬件简单、造价最低，可控制32台变频器。缺点：编程工作量较大。 4、 PLC采用RS-485的Modbus-RTU通讯方法控制变频器 三菱新型F700系列变频器使用RS-485端子利用Modbus-RTU协议与PLC进行通讯。优点：Modbus通讯方式的PLC编程比RS-485无协议方式要简单便捷。缺点：PLC编程工作量仍然较大。 5、 PLC采用现场总线方式控制变频器 三菱变频器可内置各种类型的通讯选件，如用于CC-Link现场总线的FR-A5NC选件；用于Profibus DP现场总线的FR-A5AP（A）选件；用于DeviceNet现场总线的FR-A5ND选件等等。三菱FX系列PLC有对应的通讯接口模块与之对接。 优点：速度快、距离远、效率高、工作稳定、编程简单、可连接变频器数量多。缺点：造价较高。 6、采用扩展存储器 优点：造价低廉、易学易用、性能可靠 缺点：只能用于不多于8台变频器的系统。 PLC和变频器通讯接线图 三菱PLC控制台达变频器案例分析 在不外接控制器（如PLC）的情况下，直接操作变频器有三种方式： ①操作面板上的按键； ②操作接线端子连接的部件（如按钮和电位器）； ③复合操作（如操作面板设置频率，操作接线端子连接的按钮进行启/停控制）。为了操作方便和充分利用变频器，也可以采用PLC来控制变频器。 PLC控制变频器有三种基本方式： ①以开关量方式控制； ②以模拟量方式控制； ③以RS485通信方式控制。 PLC以开关量方式控制变频器的硬件连接 变频器有很多开关量端子，如正转、反转和多档转速控制端子等，不使用PLC时，只要给这些端子接上开关就能对变频器进行正转、反转和多档转速控制。当使用PLC控制变频器时，若PLC是以开关量方式对变频进行控制，需要将PLC的开关量输出端子与变频器的开关量输入端子连接起来，为了检测变频器某些状态，同时可以将变频器的开关量输出端子与PLC的开关量输入端子连接起来。 PLC以开关量方式控制变频器的硬件连接如下图所示。当PLC内部程序运行使Y001端子内部硬触点闭合时，相当于变频器的STF端子外部开关闭合，STF端子输入为ON，变频器启动电动机正转，调节10、2、5端子所接电位器可以改变端子2的输入电压，从而改变变频器输出电源的频率，进而改变电动机的转速。如果变频器内部出现异常时，A、C端子之间的内部触点闭合，相当于PLC的X001端子外部开关闭合，X001端子输入为ON。 PLC以模拟量方式控制变频器的硬件连接 变频器有一些电压和电流模拟量输入端子，改变这些端子的电压或电流输入值可以改变电动机的转速，如果将这些端子与PLC的模拟量输出端子连接，就可以利用PLC控制变频器来调节电动机的转速。模拟量是一种连续变化的量，利用模拟量控制功能可以使电动机的转速连续变化（无级变速）。 PLC以模拟量方式控制变频器的硬件连接如下图所示，由于三菱FX2N-32MR型PLC无模拟量输出功能，需要给它连接模拟量输出模块（如FX2N-4DA），再将模拟量输出模块的输出端子与变频器的模拟量输入端子连接。当变频器的STF端子外部开关闭合时，该端子输入为ON，变频器启动电动机正转，PLC内部程序运行时产生的数字量数据通过连接电缆送到模拟量输出模块（DA模块），由其转换成0～5V或0～10V范围内的电压（模拟量）送到变频器2、5端子，控制变频器输出电源的频率，进而控制电动机的转速，如果DA模块输出到变频器2、5端子的电压发生变化，变频器输出电源频率也会变化，电动机转速就会变化。 PLC在以模拟量方式控制变频器的模拟量输入端子时，也可同时用开关量方式控制变频器的开关量输入端子。 PLC以RS485通信方式控制变频器的硬件连接 PLC以开关量方式控制变频器时，需要占用较多的输出端子去连接变频器相应功能的输入端子，才能对变频器进行正转、反转和停止等控制；PLC以模拟量方式控制变频器时，需要使用DA模块才能对变频器进行频率调速控制。如果PLC以RS485通信方式控制变频器，只需一根RS485通信电缆（内含5根芯线），直接将各种控制和调频命令送给变频器，变频器根据PLC通过RS485通信电缆送来的指令就能执行相应的功能控制。 RS485通信是目前工业控制广泛采用的一种通信方式，具有较强的抗干扰能力，其通信距离可达几十米至上千米。采用RS485通信不但可以将两台设备连接起来进行通信，还可以将多台设备（最多可并联32台设备）连接起来构成分布式系统，进行相互通信。 1.变频器的RS485通信口 三菱FR500系列变频器有一个用于连接操作面板的PU口，该接口可用作RS485通信口，在使用RS485方式与其他设备通信时，需要将操作面板插头（RJ45插头）从PU口拔出，再将RS485通信电缆的一端插入PU口，通信电缆另一端连接PLC或其他设备。三菱FR500系列变频器PU口外形及各引脚功能说明如下图所示。 三菱FR500系列变频器只有一个RS485通信口（PU口），面板操作和RS485通信不能同时进行，而三菱FR700系列变频器除了有一个PU接口外，还单独配备了一个RS485通信口（接线排），专用于进行RS485通信。三菱FR700系列变频器RS485通信口外形及各功能说明如下图所示，通信口的每个功能端子都有2个，一个接上一台RS485通信设备，另一个端子接下一台RS485通信设备，若无下一台设备，应将终端电阻开关拨至“100Ω”侧。 2.PLC的RS485通信口 三菱FX PLC一般不带RS485通信口，如果要与变频器进行RS485通信，须给PLC安装FX2N-485BD通信板。485BD通信板的外形和端子如下图（a）所示，通信板的安装方法如下图（b）所示。 （a）外形 （b）安装方法 3.变频器与PLC的RS485通信连接 （1）单台变频器与PLC的RS485通信连接 单台变频器与PLC的RS485通信连接如下图所示，两者在连接时，一台设备的发送端子（+\-）应分别与另一台设备的接收端子（+\-）连接，接收端子（+\-）应分别与另一台设备的发送端子（+\-）连接。 （2）多台变频器与PLC的RS485通信连接 多台变频器与PLC的RS485通信连接如下图所示，它可以实现一台PLC控制多台变频器的运行。 PLC控制变频器驱动电动机正反转的电路、程序及参数设置 1.PLC与变频器的硬件连接线路图 PLC以开关量方式控制变频器驱动电动机正反转的线路图如下图所示。 2.变频器的参数设置 在使用PLC控制变频器时，需要对变频器进行有关参数设置，具体见下表。 3.编写PLC控制程序 变频器有关参数设置好后，还要用编程软件编写相应的PLC控制程序并下载给PLC。PLC控制变频器驱动电动机正反转的PLC程序如下图所示。 PLC控制变频器驱动电动机多档转速运行的电路、程序及参数设置 变频器可以连续调速，也可以分档调速，FR-500系列变频器有RH（高速）、RM（中速）和RL（低速）三个控制端子，通过这三个端子的组合输入，可以实现7档转速控制。如果将PLC的输出端子与变频器这些端子连接，就可以用PLC控制变频器来驱动电动机多档转速运行。 1.PLC与变频器的硬件连接线路图 PLC以开关量方式控制变频器驱动电动机多档转速运行的线路图如下图所示。 2.编写PLC控制程序 PLC以开关量方式控制变频器驱动电动机多档转速运行的PLC程序如下图。
扫码关注面包板社区
