【动手学电机驱动】TI InstaSPIN-FOC（5）Lab04 力矩控制

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

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 Lab04 实验项目“力矩闭环控制”。

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 Lab04 项目介绍

本实验的力矩控制，将 InstaSPIN FOC 或 InstaSPIN MOTION 框架纯粹用作扭矩控制器。

本项目采用单电流环控制，速度环被禁用（通常速度环路作为控制外环），直接将电流参考值 $i_{q,ref}$ 发送到 Iq 电流反馈控制器。

学习目标：

• 如何通过将 InstaSPIN FOC 或 InstaSPIN MOTION 置于用户外部速度控制模式，并直接提供 Iq 参考值来启用直接扭矩命令
• 如何从 FAST 获取扭矩信息

“用户外部速度控制模式” 禁用提供的速度控制器，并将 FOC 控制系统设置为期望 Iq 扭矩命令作为输入。该扭矩指令输入可以由用户提供，也可以是用户提供的速度环控制器的输出（即速度电流双闭环控制，在下一篇实验中介绍）。

2. Lab04 项目实验内容

FOC 的核心是扭矩控制。扭矩控制经常作为控制内环，而将速度控制环路或位置控制环路作为控制外环。添加控制外环后，系统的不稳定更差。因此，在扭矩控制模式下，才能真正判断FAST 算法及其估计和角度跟踪能力。

你可以设计完美的扭矩控制器。但如果给出阻尼不足、振荡的扭矩参考信号，控制系统的整体性能仍然会很差。速度控制系统也掩盖了FAST-FOC系统的真实性能。添加速度控制器后，FAST FOC 系统的总响应降低。

在 Lab04项目中，我们的目的是将 InstaSPIN FOC 置于用户外部速度控制模式，并直接给定 Iq 的参考值来启用扭矩命令。

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：

1. 对于 F28027F 控制板，拆除 JP1、JP2 跳线帽，由驱动板提供 3.3V 电源。
2. 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）。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 打开连接到 DRV8301 驱动板的直流稳压电源。

2.2 加载用户数据文件

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_lab04”。

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_lab04”，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。

3、检查用户数据文件 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，检查 “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)”，检查电机极对数、电机参数的值已修改为电机规格书的参数，或通过参数辨识得到的数值。例如：

#elif (USER_MOTOR == My_Motor)
#define USER_MOTOR_TYPE                 MOTOR_Type_Pm
#define USER_MOTOR_NUM_POLE_PAIRS       (2)
#define USER_MOTOR_Rr                   (NULL)
#define USER_MOTOR_Rs                   (0.6958)
#define USER_MOTOR_Ls_d                 (0.001885)
#define USER_MOTOR_Ls_q                 (0.001885)
#define USER_MOTOR_RATED_FLUX           (0.1518)
#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          (1.0)
#define USER_MOTOR_FLUX_EST_FREQ_Hz     (20.0)

说明：电机参数与具体电机有关，仅供参考。电机参数辨识过程，详见 TI InstaSPIN-FOC（4）Lab02b 电机参数辨识。

（3）定义驱动板电压电流偏移量的的段落，检查已修改为测量的偏移值。

//! \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)

说明：电压电流偏移量与具体驱动控制板有关，仅供参考。电压电流偏移量测试过程，详见 TI InstaSPIN-FOC（3）Lab03a 测量电压电流漂移量。

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_lab03” 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。

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。

6、加载脚本文件。

通过调用脚本 “proj_lab04.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_lab04.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

10、启动电机。

在监视窗口中，检查 gMotorVars.UserErrorCode 的值：如果有错误则该变量值将显示具体的错误内容以供排查，如果没有错误则该变量值为 USER_ErrorCode_NoError，可以继续运行。

在监视窗口中，先将 “Flag_enableSys” 设为 1（True）驱动控制 使能，然后将 “Flag_Run_Identify” 设为 1（True）电机运行 使能。

10、强制启动程序。

此时 IqRef 值为 0（默认值），电机并没有开始旋转，但电机轴缓慢振荡。这是由于执行 “强制角度” 的强制启动程序。

观察窗口如下图所示：

• Flag_enableSys = 1，驱动控制 使能；
• Flag_Run_Identify = 1，电机运行 使能；
• Flag_EnableUserParams = 1，控制器从 user.h 读取电机参数；
• Flag_EnableForceAngle = 1，控制器执行 “强制角度” 的强制启动程序；
• CtrlState = CTRL_State_Online，CTRL_run 状态机处于 Online 状态；
• IqRef_A = 0.0，默认的电流参考值 IqRef_A 为 0；
• Speed_krpm = 0.0，测量的电机转速为 0；
• Troque_Nm = 0.0，测量的电机转矩为 0；

由于零速度启动时的观测器的反馈不稳定，转子角度和转速信号的估计值精度较差，因此电机很难甚至无法从零速启动。因此设置了 “强制角度” 的强制启动程序，允许 InstaSPIN 在全电机扭矩下从零速度启动。
当电机在 1Hz 以上旋转时，则强制角度关闭，执行真正的闭环控制。强制角度也可以手动关闭。

11、手动改变设定值 IqRef。

（1）在监视窗口中，将 “IqRef_A” 的值修改为 0.1，电机轴缓慢振荡，但电机仍没有开始旋转。观察窗口如下图所示：

（2）将 “IqRef_A” 的值修改为 0.2，电机开始旋转。观察窗口如下图所示：

（3）将 “IqRef_A” 的值修改为 0.25，电机旋转速度更高，直到达到最大转速。观察窗口如下图所示：

由于本实验的控制策略为扭矩控制器，电机空载时，转速将不断增大直到全速（电压限制）。

（4）将 “IqRef_A” 的值修改为 0.5，电机旋转速度仍处于最大转速。观察窗口如下图所示：

Iq 参考值可以设置为高于最大电机电流，但控制器不允许超过 “user.h” 设置中列出的电流。

这是由于本实验的控制策略为扭矩控制器，电机空载时，转速不断增大直到全速（电压限制）。

12、将设定值 IqRef 设为负值。

将设定值 Iqref 设为负值，可以让电机反向旋转运行。

先将 Iqref 设为 0，使电机停止运行，再将 Iqref 设为负值。观察窗口如下图所示： Iqref=-0.2，电机反向旋转。

13、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 1（True）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。

14、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 。

3. Lab02b 程序解读

3.1 程序框图

本项目的程序框图如下图所示。ROM 中只运行 FAST，InstaSPIN FOC 的其余部分程序在用户RAM 中运行。

在主程序中的轮询（forever loop）中，通过以下代码 从用户输入的安培数（gMotorVars.IqRef_a）转换 得到参考值 Iq_ref 。

_iq iq_ref = _IQmpy(gMotorVars.IqRef_A,_IQ(1.0/USER_IQ_FULL_SCALE_CURRENT_A));

为了在 FOC 控制中设置 Iq 参考，函数 CTRL_setIq_ref_pu（）使用以下代码将 Iq 参考值传递给 Iq 电流环 PI控制器作为控制器的设定值。

// Set the Iq reference that use to come out of the PI speed control
CTRL_setIq_ref_pu(handle, iq_ref);

在进行扭矩控制时，还需要完成另一项任务。当电机运行时，控制器需要知道电机将要施加扭矩的方向。函数 CTRL_setSpd_ref_krpm（）用于设置电机是顺时针还是逆时针启动。

// set the speed reference so that the forced angle rotates in the correct direction
// for startup.
if(_IQabs(gMotorVars.Speed_krpm) < _IQ(0.01))
{
if(iq_ref < 0)
CTRL_setSpd_ref_krpm(handle,_IQ(-0.01));
else if(iq_ref > 0)
CTRL_setSpd_ref_krpm(handle,_IQ(0.01));
}

另一点需要注意的是在零速穿越期间。在实际速度为零之前，速度参考值的符号不要取错误的方向。为了强调这一点，如下流程图显示，当速度降至10 RPM 以下时，软件会使用 IqRef 的符号设置速度参考值的方向。

3.2 包含文件、变量和函数声明

本项目没有新的包含文件和定义新的全局变量。

在初始化过程中，会调用一个函数来禁用速度环 PI 和 SpinTAC 速度控制器。

• CTRL_setFlag_enableSpeedCtrl()，在该函数的参数中发送错误将导致控制器绕过速度PI控制器，并允许将Iq参考直接发送到Iq PI控制器。

下表列出了实施扭矩控制器所需的主回路中的新函数。

• CTRL_setIq_ref_pu()，以 Iq 电流参考值作为参数，设置 Iq 电流环 PI 控制器的输入。

4. Lab04 项目总结

一些应用只需要扭矩控制器。InstaSPIN可以很容易地将电机控制器设置为速度控制或扭矩控制。

在本实验室中，电机控制器被设置为扭矩控制器。对于FOC系统，q轴电流 Iq 与扭矩直接相关，因此可以通过设置 IqRef 实现对扭矩的控制。