【动手学电机驱动】 TI InstaSPIN-FOC（4）Lab02b 电机参数辨识

TI InstaSPIN-FOC（1）电机驱动和控制测试平台
 TI InstaSPIN-FOC（2）Lab01 闪灯实验
 TI InstaSPIN-FOC（3）Lab03a 测量电压电流漂移量
 TI InstaSPIN-FOC（4）Lab02b 电机参数辨识
 TI InstaSPIN-FOC（5）Lab04 力矩控制
 TI InstaSPIN-FOC（6）Lab05a 电流环控制
 TI InstaSPIN-FOC（7）Lab05b 速度环控制

【动手学电机驱动】 TI InstaSPIN-FOC（4）Lab02b 电机参数辨识

LAUNCHXL-F28027F + BOOSTXL-DRV8301 提供了一个完整的电机驱动和控制评估平台，与 TI 公司的 InstaSPIN FOC配合使用，提供无传感器控制解决方案。

本节基于 LAUNCHXL-F28027F + BOOSTXL-DRV8301 电机驱动和控制测试平台，介绍 Lab02b 实验项目“电机参数辨识”，估计电机参数电阻Rs、电感Ls 和磁链 flux。

推荐从 TI 官网下载【InstaSPIN 实验项目用户手册】（InstaSPIN Projects and Labs User’s Guide），进行学习。

1. 项目介绍

1.1 Lab02 项目介绍

默认情况下，当 InstaSPIN 启动时，对电压电流的偏移量进行自动校准，并识别没有连接过的电机，估计电机参数电阻Rs、电感Ls 和磁链 flux。

估计电机参数非常重要，但需要很长时间才能完成。对于同一个电机，电机参数只需要测量一次。因此对电机参数进行辨识后，可以将其写入用户数据文件 user.h 中。以后使用该电机时，就可以读取用户数据文件 user.h 来获取电机参数，跳过电机参数辨识步骤，以减少电机的启动时间。

Lab02a 项目：学习在 ROM 外使用 InstaSPIN。
InstaSPIN 实现了一个启用 FAST 的自感应磁场定向变速控制器。ROM 库包含 FAST 角度观测器以及实现 FOC 控制器所需的所有代码。本实验使用基于 ROM 的完整代码来创建 FOC 电机控制。
Lab02b 项目：学习在用户 RAM 中使用 InstaSPIN
InstaSPIN 不必完全在 ROM 外执行。TI 提供的大多数 InstaSPIN 代码都是开源的，只有 FAST角度观测器代码是闭源的。本实验将展示在用户 RAM 中以开源方式运行无传感器 FOC 控制。对 ROM 的唯一函数调用是更新和从 FAST 观测器中提取信息。
Lab02c 项目：学习使用 InstaSPIN 辨识低电感永磁同步电机
低电感永磁同步电动机的参数辨识比较困难，本实验特别适用于低电感的 PMSM 的参数辨识。
Lab02d 项目：学习在用户 RAM 中使用 InstaSPIN（启用 fpu32）
本实验与 Lab02b 相同，但启用了 fpu32。本实验仅适用于 F2806xF系列 MCU。

2. Lab02b 项目实验内容

默认情况下，当 InstaSPIN 启动时，如果之前没有识别过连接到逆变器的电机，它会首先识别该电机，估计电机参数 Rs、Ls 和气隙通量 flux。

在 Lab02b 项目中，我们的目的是识别电机，估计电机参数 Rs、Ls 和气隙通量 flux，并将其写入 user.h 文件中。

2.1 硬件连接与设置

本项目使用 LAUNCHXL-F28027F + BOOSTXL-DRV8301 电机驱动和控制测试平台，相关的软件安装和配置，详见上节【动手学电机驱动】 TI InstaSPIN-FOC（1）电机驱动和控制测试平台。

硬件连接与设置的步骤如下：

对于 F28027F 控制板，拆除 JP1、JP2 跳线帽，由驱动板提供 3.3V 电源。
对于 F28027F 控制板，将开关 S1 设置为 ON-ON-ON（向上），UART 开关 S4 设置为 OFF（向下）。
如下图所示，将 DRV8301 驱动板插入 F28027F 控制板。注意：接线端子插头应朝向USB连接器。
将三相 PMSM 电机连接到 DRV8301 驱动板的 3-pin 接线端子 J11。电机连接标记为 A、B、C，但可以以任何顺序连接。
将直流电源连接到 DRV8301 驱动板的 2-pin 接线端子 J2，注意电源正负极不要接反（正极接 PVDD，负极接 GND）。推荐使用 24V/10A 直流稳压电源。
打开连接到 DRV8301 驱动板的直流稳压电源。

2.2 修改用户数据文件 user.h

1、打开 IDE 软件 CCStudio，从 MotorWare 导入例程项目，在 CCS 侧边栏 “Project Explorer” 选择本项目 “proj_lab02b”。

C:\ti\motorware\motorware_1_01_00_18\sw\solutions\instaspin_foc\boards\boostxldrv8301_revB\f28x\f2802xF\projects

如果使用其它型号的 MCU 和驱动板，则参考以上路径规则，选择相应的项目路径。

2、鼠标选中本项目 “proj_lab02b”，右键选择 “Properties” 打开属性窗口，添加包含文件 user.h：

Build – C2000 Compiler – Include Options – Add dir to #include search path (–include_path, -I)

添加 user.h 文件的路径：

C:\ti\motorware\motorware_1_01_00_18\sw\modules\hal\boards\boostxldrv8301_revB\f28x\f2802xF\src

注意：如果没有正确导入 user.h，构建项目或编译时将会报错。
在这里插入图片描述

3、修改用户数据文件 user.h。

在 CCS “Project Explorer” 选择本项目 “proj_lab02b” 激活（Active）后，打开 user.c 文件，在文件开头找到声明的包含文件 user.h（以高亮显示）。鼠标移动到高亮的包含文件上，按 F3 就自动打开用户数据文件 user.h。

（1）找到定义电机类型的段落，将 “USER_MOTOR” 定义为 “My_Motor”，内容如下：

//! \brief Uncomment the motor which should be included at compile
//! \brief These motor ID settings and motor parameters are then available to be used by the control system
//! \brief Once your ideal settings and parameters are identified update the motor section here so it is available in the binary code
#define USER_MOTOR My_Motor

（2）找到定义电机参数的段落 “#elif (USER_MOTOR == My_Motor)”，根据使用的电机极对数修改参数 “USER_MOTOR_NUM_POLE_PAIRS” 的值，并将需要估计的电机参数的值修改为 “NULL”，内容如下：

#elif (USER_MOTOR == My_Motor)
#define USER_MOTOR_TYPE                 MOTOR_Type_Pm
#define USER_MOTOR_NUM_POLE_PAIRS       (1)
#define USER_MOTOR_Rr                   (NULL)
#define USER_MOTOR_Rs                   (NULL)
#define USER_MOTOR_Ls_d                 (NULL)
#define USER_MOTOR_Ls_q                 (NULL)
#define USER_MOTOR_RATED_FLUX           (NULL)
#define USER_MOTOR_MAGNETIZING_CURRENT  (NULL)
#define USER_MOTOR_RES_EST_CURRENT      (0.2)
#define USER_MOTOR_IND_EST_CURRENT      (-0.2)
#define USER_MOTOR_MAX_CURRENT          (0.2)
#define USER_MOTOR_FLUX_EST_FREQ_Hz     (20.0)

（3）定义驱动板电压电流偏移量的的段落，在上节TI InstaSPIN-FOC（3）Lab03a 测量电压电流漂移量已测量并修改到 user.h 中。

//! \brief ADC current offsets for A, B, and C phases
//! \brief One-time hardware dependent, though the calibration can be done at run-time as well
//! \brief After initial board calibration these values should be updated for your specific hardware so they are available after compile in the binary to be loaded to the controller
#define   I_A_offset    (0.8387260437)
#define   I_B_offset    (0.8367524147)
#define   I_C_offset    (0.8327225447)

//! \brief ADC voltage offsets for A, B, and C phases
//! \brief One-time hardware dependent, though the calibration can be done at run-time as well
//! \brief After initial board calibration these values should be updated for your specific hardware so they are available after compile in the binary to be loaded to the controller
#define   V_A_offset    (0.498126924)
#define   V_B_offset    (0.4988828897)
#define   V_C_offset    (0.4985800385)

（4）其它定义电机运行条件的段落，根据电机修改，例如：

//! \brief Defines the full scale frequency for IQ variable, Hz
//! \brief All frequencies are converted into (pu) based on the ratio to this value
//! \brief this value MUST be larger than the maximum speed that you are expecting from the motor 
#define USER_IQ_FULL_SCALE_FREQ_Hz        (1000.0)   // 800 Example with buffer for 8-pole 6 KRPM motor to be run to 10 KRPM with field weakening; Hz =(RPM * Poles) / 120

#define USER_IQ_FULL_SCALE_VOLTAGE_V      (24.0)   // 24.0 Example for boostxldrv8301_revB typical usage and the Anaheim motor

保存修改的用户数据文件 user.h。

2.3 项目构建与加载

4、项目构建（“Build”）。

在 CCS “Project Explorer” 选择本项目 “proj_lab02b” 激活（Active）后，通过菜单栏 Project – Build Project 构建（“Build”）项目。也可以点击工具栏上的锤子图标 “Build” 进行构建。

在 CCS 的控制台（Console）窗口栏，将显示构建过程，并最终显示 ”**** Build Finished ****“，说明构建项目成功。

在这里插入图片描述

5、项目调试（“Debug”），将程序烧录到 MCU。

注意：在本步骤之前，要USB 连接控制板套件，并给控制板套件通电，否则找不到目标板而加载失败。 相关步骤可以参见上节 “2.1 硬件连接与设置”。

通过菜单栏 Run-- Debug 开始调试（“Debug”）项目。也可以点击工具栏上的昆虫图标 “Debug” 开始调试。

“Debug” 过程中，弹出窗口显示调试进程，并将并将.out文件加载到目标（将程序烧录到 MCU）。弹出窗口最后显示 "Finished“，说明调试完成和加载成功。

进入调试状态后，CCS透视图将自动变为 “CCS调试”视图布局，如下图所示。

在这里插入图片描述

6、加载脚本文件。

通过调用脚本 “proj_lab02b.js”，添加适当的监视窗口变量。

loadJSFile “C:\ti\motorware\motorware_1_01_00_18\sw\solutions\instaspin_foc\src\proj_lab02b.js”

7、启用实时调试器。

点击工具栏上的实时模式图标（Enable silicon realtime mode），进入实时模式（Realtime mode）。该图标看起来像一个时钟。

8、执行目标程序。

点击工具栏上的执行（Resume）图标，开始执行目标程序。该图标看起来像一个绿色按键。也可以通过菜单栏 Run-- Resume，或快捷键 F8，开始执行目标程序。

9、启用连续刷新。

点击工具栏上的连续刷新（Resume）图标，在监视窗口上启用连续刷新。

2.4 项目运行与调试

在开始运行调试之前，我们先介绍这个实验要做什么以及要观察的变量。
我们将 “Flag_enableSys” 和 “Flag_Run_Identify” 设置为真（True），程序将识别电机，估计电机参数：电阻 Rs、电感 Ls 和磁链 flux。

10、启动电机参数辨识。

在监视窗口中，将 “Flag_enableSys” 设为 1（True），然后将“Flag_Run_Identify” 设为 1（True）。

观察窗口将如下图所示。

程序立即执行电机参数辨识。

我们从观察窗口可以看到，首先电阻 gMotorVars.Rs_Ohm 的值发生变化并逐渐稳定，然后电感 gMotorVars.Lsd_H 和 gMotorVars.Lsq_H 的值发生变化并逐渐稳定，然后磁链 gMotorVars.Flux_VpHz 的值发生变化并逐渐稳定。

最后，Flag_Run_Identify 的值自动复位为 0（False），表明电机参数辨识完成。此时的观察窗口如下图所示。

在这里插入图片描述

11、更新用户数据文件 user.h。

将测量的电机参数电阻 Rs、电感 Ls 和磁链 flux的值从监视窗口复制并粘贴到 user.h 文件中相应的参数定义语句 #define 中，如下所示。

从监视窗口复制的数据为：

gMotorVars.Rs_Ohm	float	0.0257475302	0x00000070@Data	
gMotorVars.Lsd_H	float	2.357015e-05	0x00000074@Data	
gMotorVars.Lsq_H	float	2.357015e-05	0x00000076@Data	
gMotorVars.Flux_VpHz	float	0.0132514471	0x00000078@Data

由此修改用户数据文件 user.h 中 “My_Motor” 的电机参数为：

#elif (USER_MOTOR == My_Motor)
#define USER_MOTOR_TYPE                 MOTOR_Type_Pm
#define USER_MOTOR_NUM_POLE_PAIRS       (1)
#define USER_MOTOR_Rr                   (NULL)
#define USER_MOTOR_Rs                   (0.0257475302)
#define USER_MOTOR_Ls_d                 (2.357015e-05)
#define USER_MOTOR_Ls_q                 (2.357015e-05)
#define USER_MOTOR_RATED_FLUX           (0.0132514471)
#define USER_MOTOR_MAGNETIZING_CURRENT  (NULL)
#define USER_MOTOR_RES_EST_CURRENT      (1.0)
#define USER_MOTOR_IND_EST_CURRENT      (-1.0)
#define USER_MOTOR_MAX_CURRENT          (3.0)
#define USER_MOTOR_FLUX_EST_FREQ_Hz     (20.0)

在这里插入图片描述

12、结束运行。

将变量 “Flag_Run_Identify” 设为 0（False），禁止电机运行。将 “Flag_enableSys” 设为 0（False），禁用驱动控制。

点击工具栏上的断开（Terminate）图标，断开与所有硬件的连接并终止调试状态。该图标看起来像一个红色方块。也可以通过菜单栏 Run-- Terminate，断开连接并终止调试状态。

13、关闭电源，拆除 USB 连接。

关闭为 DRV8301 驱动板供电的 DC 24V 电源。
拆下连接计算机（运行 CCS 的计算机）与 F28027F 控制板的 USB 线缆。

2.5 试验验证

我们通过 Lab02b 实验已经测量电机参数电阻 Rs、电感 Ls 和磁链 flux的值，并修改了用户数据文件 user.h。

现在我们使用该用户数据文件 user.h 中的电机参数，用 Lab05b 实验对电机进行速度环控制，可以控制电机在设定的速度运行。修改速度环的设定值，可以调节电机的旋转速度。

运行结果如下图所示，说明电机的速度可以控制在不同的速度设定值，速度变化迅速平稳，满足电机速度控制的基本要求。关于电机速度环控制的具体步骤，我们在下节中详细介绍。
在这里插入图片描述

3. Lab02b 程序解读

3.1 程序框图

Lab02a 项目的后台循环允许用户与 FAST 观察器和 FOC 软件进行交互。

main() 函数的轮循逻辑（forever loop）如下图所示。

在这里插入图片描述

InstaSPIN FOC 的最小ROM实现的框图如下。InstaSPIN MOTION 可以使用相同的实现。Lab02b 项目中包含的新文件是“ctrl.c”。ctrl.c文件包含与2802xF、2805xF/M和2806xF/M的ROM中相同的控制代码。

在这里插入图片描述

3.2 包含文件、变量和函数声明

对 InstaSPIN 设置至关重要的新包含文件的描述。

请注意，由于所有Lab实验中都用到 main.h ，因此其中有些包含的内容在本实验中并没有用到。

在这里插入图片描述
下表中列出的全局对象和声明是电机控制器必须的对象。

下表中列出的是设置 MCU 和FOC软件所需的函数。

后台循环使用用户与 FAST 观察器和 FOC 软件交互的函数，使用的重要函数如下表所示。

下表显示了本实验室调试运行中监视窗口中使用的API函数。
在这里插入图片描述

对于 Lab02b 项目，由于InstaSPIN FOC代码的大部分已从ROM转移到用户内存，因此与 Lab02a 相比，必须向项目中添加更多文件。下表列出了项目中的新文件。请注意，许多函数都位于与C文件关联的头文件中，例如：clark.h、ipark.h、park.h、svgen.h和traj.h。

在这里插入图片描述

部分函数说明如下：

HAL_init()：初始化微控制器外设的所有句柄。返回 HAL 对象的句柄。
USER_setParams()：将文件user.h中的所有比例因子复制到 USER_Params 定义的结构中。
HAL_setParams()：设置微控制器外设。创建 ADC 电压和电流转换的所有比例因子。设置电压和电流测量的初始偏移值。
HAL_initIntVectorTable()：将 ISR 指向函数 mainISR。
HAL_enableAdcInts()：启用 PIE 和 CPU 中的 ADC 中断。允许从 ADC 外设发送中断。
HAL_enableGlobalInts()：启用全局中断。
HAL_disablePwm()：将逆变器电源开关设置为高阻抗。
HAL_getBias()：返回逆变器电流和电压电路中的电流和电压偏移值。
HAL_setBias()：手动设置逆变器电流和电压电路中的电流和电压偏移值。
CTRL_initCtrl()：函数的参数为true时，控制器从user.h读取电机参数，而不执行电机调试。
CTRL_setParams()：返回驱动板的电流和电压偏移值。
CTRL_run()：实现了面向字段的控制。CTRL_run有三个部分：CTRL_runOffline、CTRL_runOnline和CTRL_runOnlineUser。
CTRL_setup()：负责更新CTRL状态机，并且必须以与CTRL_run（）相同的时序调用。
CTRL_setFlag_enableOffset()：函数的参数为false时，控制器绕过偏移校准。
CTRL_setFlag_enableUserMotorParams()：函数的参数为true时，控制器从user.h读取电机参数，而不执行电机调试。

3.3 状态机

CTRL_run 的状态机如下图所示。

CTRL_run 有三种状态：空闲、离线和在线。空闲状态通常发生在控制器关闭时。在偏移校准和电机参数识别期间，CTRL处于脱机状态。在线状态发生在控制和电机运行且所有识别完成时。

在这里插入图片描述

代码最重要的部分发生在Online状态期间，其中函数 CTRL_run 从mainISR() 调用。如下所示，CTRL 和 HAL 句柄以及 ADC 和 PWM 数据被传递给 CTRL_run() 函数。


interrupt void mainISR(void)
{
    
    
  // toggle status LED
  if(++gLEDcnt >= (uint_least32_t)(USER_ISR_FREQ_Hz / LED_BLINK_FREQ_Hz))
  {
    
    
    HAL_toggleLed(halHandle,(GPIO_Number_e)HAL_Gpio_LED2);
    gLEDcnt = 0;
  }


  // acknowledge the ADC interrupt
  HAL_acqAdcInt(halHandle,ADC_IntNumber_1);


  // convert the ADC data
  HAL_readAdcData(halHandle,&gAdcData);


  // run the controller
  CTRL_run(ctrlHandle,halHandle,&gAdcData,&gPwmData);


  // write the PWM compare values
  HAL_writePwmData(halHandle,&gPwmData);


  // setup the controller
  CTRL_setup(ctrlHandle);


  return;
} // end of mainISR() function

CTRLrun 的所有代码都可以在文件 CTRL.c 中找到。
下面的 if-then 语句显示，当识别电机时，CTRL_runOnLine 是从 ROM 执行的。识别电机后，CTRL_run OnLine_User 从用户 RAM 运行。CTRL_runOnLine_User 是一个位于 CTRL.h 中的内联函数，它包含整个FOC实现，并调用FAST观测器获取转子磁通角值。


      // run the appropriate controller
      if(ctrlState == CTRL_State_OnLine)
        {
    
    
    	  CTRL_Obj *obj = (CTRL_Obj *)handle;

          // increment the current count
          CTRL_incrCounter_current(handle);

          // increment the speed count
          CTRL_incrCounter_speed(handle);

          if(EST_getState(obj->estHandle) >= EST_State_MotorIdentified)
            {
    
    
              // run the online controller
              CTRL_runOnLine_User(handle,pAdcData,pPwmData);
            }
          else
            {
    
    
              // run the online controller
              CTRL_runOnLine(handle,pAdcData,pPwmData);
            }
        }
      else if(ctrlState == CTRL_State_OffLine)
        {
    
    
          // run the offline controller
          CTRL_runOffLine(handle,halHandle,pAdcData,pPwmData);
        }
      else if(ctrlState == CTRL_State_Idle)
        {
    
    
          // set all pwm outputs to zero
          pPwmData->Tabc.value[0] = _IQ(0.0);
          pPwmData->Tabc.value[1] = _IQ(0.0);
          pPwmData->Tabc.value[2] = _IQ(0.0);
        }
    }
  else
    {
    
    
      // increment the isr count
      CTRL_incrCounter_isr(handle);
    }

  return;
} // end of CTRL_run() function

打开文件 ctrl.h 并在CCS中选择大纲视图（视图->大纲）后，可以选择ctrl_runOnLine_User来查看源代码窗口中的代码。

在这里插入图片描述

4. Lab02b 项目总结

本实验展示了如何测量电流和电压偏量、读取并复制到用户数据文件 user.h 中，以便在今后的实验中直接从用户数据文件加载电机参数，跳过电机校准和识别过程。