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无传感器PSMS马达FOC控制算法详解


1258C FOC
无传感器PMSM 马达FOC控制算法详解

课程目标
通过本课程学习,您将: ? 了解一些目前最新的电机控制设计解 决方案 ? 了解一种新的永磁同步电机(PMSM) 无传感器磁场定向控制(FOC)算法 ? 了解如何查找更多关于该算法的信息

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2

课程安排
PMSM概述 PMSM的FOC控制 无传感器技术 DMCI介绍——一种有用的工具 演示1:整定PI参数 演示2:整定无传感器控制参数 回顾,答疑(Q&A)
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3

课程安排
PMSM概述
? ? ? ? ? PMSM应用 PMSM与BLDC的比较 PMSM结构 PMSM特性 PMSM操作

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PMSM应用
高效率和高可靠性 设计用于高性能伺服应用 可实现有/无位置编码器的运行方式 比ACIM体积更小、效率更高、重量更轻 采用FOC控制可实现最优的转矩输出 平滑的低速和高速运行性能 较低的噪声和EMI
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PMSM 应用
空调机和冰箱(AC)压缩机 直接驱动洗衣机 高精度机床工具 汽车电动转向 牵引控制 数据储存
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PMSM与BLDC的比较
从其发展历史来看,两种电机发源 于不同的领域 转矩产生的机理相同 BLDC是PM BDC的一个派生词 PMSM表示一个励磁磁场由PM提供 的AC同步电机 控制方法不同(六步控制与FOC)
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7

PMSM结构

定子 转子 转子

定子

径向
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轴向
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PMSM结构

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PMSM结构
PMSM具有与BLDC类似的结构, 但是,PMSM反电势信号为正弦 的,而BLDC PMSM梯形波 数学模型不同 PMSM采用正弦电流驱动 与三相ACIM类似,但气隙磁通由转 子上安装的磁钢产生
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PMSM特性
BLDC PMSM

定子磁链

反电势

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PMSM特性
eb

ωt

波形形状主要受到定子设计的影响 每相每极槽数是一个关键参数 分数槽、绕组和磁极电机可实现波形设计 制造容差决定波形的质量

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PMSM特性
v ea eb ec

ωt

PMSM的反电势波形

具有正弦反电势波形的无刷电机 同步AC电机 BLAC PMSM
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PMSM特性
理想的反电势不含有谐波 使得音频噪声减少 更高的效率——减少了寄生能量, 这种能量可激发机械部件、导致其 处于不可控的状态

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PMSM特性
转矩 去磁限制 VSI电流限制

短时运行
I电 VS

T0

压曲 线

连续运行 0 ωr 转速

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PMSM运行
PMSM电气模型
i R L e

is e s = T ω T ∝ is

v

电机

瞬时功率
? 转矩 x 转速 = 反电势 x 相电流
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PMSM运行
转矩产生

考虑到F的方向,T=Fr sin θ

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PMSM运行
S

S
N

θ

定子磁场
S S

N

N N

S

转子磁场

N

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PMSM运行
定子磁场可分解为与转子磁场平行 和正交两个分量 只有正交(交轴)磁场分量产生转 矩 平行(直轴)磁场分量产生作用于 轴承的压力 相电流产生定子磁场且可被测量
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PMSM运行
N S N S

θ

S

未采用FOC
转矩

N N N S

S

BEMF(V) θ 电流(I)
T = Fs*Rs*sinθ

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20

PMSM运行
S S N N

90°

S

采用FOC
S

N N N

S

转矩

BEMF(V) θ 电流(I)
T = Fs*Rs*sinθ

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PMSM运行

90°

π 0 -π
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PMSM使用FOC控制
保持电流超前 于转子位置90° 需要一直获取连 续的转子位置信 息 更好的转矩性能 无转矩脉动
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S N N S

90°

S

N

S S N N

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课程安排
PMSM概述 PMSM的FOC控制 无传感器技术 DMCI介绍——一种有用的工具 演示1:整定PI参数 演示2:整定无传感器控制参数 回顾,答疑(Q&A)
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内容安排
PMSM的FOC控制
? FOC概述 ? 信号处理 ? PMSM的FOC控制

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FOC概述
采用正弦激励,并使所施加电流空 间矢量与转子位置保持一定关系 定子电流和转子(磁钢)磁通相互 作用产生转矩,从而使转子转动 需要采用电子控制实现电流矢量超 前于转子位置90度,以实现最优转 矩输出 T ∞ 电流空间矢量
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FOC概述
提升动态响应 减少转矩脉动 可扩展转速范围 低噪声和EMI

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信号处理
矢量坐标系

b a

β

q d α

c 3-轴定子坐标系 2-轴定子坐标系 2-轴旋转坐标系

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信号处理
通过三相电压控制电流空间矢量 坐标变换简化了数学方程,使得三 相电机控制可采用与直流电机相同 的传统方法 三相时间变量变换到2轴时间常量

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信号处理
b
3相坐标系 (定子电流空间矢量表示)

is ib ic ia

a

c

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信号处理
投射到2相系统(Clarke变换)

实部α和虚部β分量为 = isα + jisβ。变换至正交静止坐标系。

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信号处理
投射到旋转坐标系统(Park变换) q

β

d

θ

α

从静止坐标系变换到旋转坐标系。直轴和交轴定子电流分量的表征

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信号处理
投射到旋转坐标系统(Park变换)

从静止坐标系变换到旋转坐标系(该坐标系以转子速度旋转)
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信号处理
旋转坐标系中的矢量

电机绕组中通入对称的电流将产生一个合成的旋转电流空间矢量,该矢量与转子位置正交。 为实现最优控制, Iq应取最大值而Id应取最小值
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信号处理
旋转坐标系中的矢量

q

iq id

is
d

转矩 ∝ iq

磁通 ∝ id

它们都是不随时间变化的量,可看作DC参数,这使得它们可被独立地进行控 制
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PMSM的FOC控制
N ref id ref Σ PI iq ref Σ PI Vq Vd PI d,q Vα Vβ SVM 三相 逆变桥

α,β

Σ
-

θ
d,q iα

iq id

α,β
a,b,c
A
编码器

ia ib

α,β
QEI



电机

速度和位置

B

这将使能最优的转矩控制
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PMSM的FOC控制
PI控制器运行于转子定向的d-q坐标系, 它们为直流量,不同于电机电压和电流 (为正弦变化量),因此在电机低速和 高速运行时都能运行良好。 Iq跟踪给定转矩,Id参考值为零;这将 产生最优的转矩输出 PI控制器输出将被变换为三相电压信号 以输出到三相逆变桥 (反Park变换,反 Clarke变换包含在SVM中)
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未使用FOC
N S N S

PMSM的FOC控制
转矩
N S N

使用FOC
S

θ

S

90°

S

θ
N N N S S N S S N N

T = Fs*Rs*sinθ

BEMF(V)

BEMF(V)

电流(I)

电流(I)

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PMSM的FOC控制
相电流响应
PI 速度控制

PI 速度 + FOC控制

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PMSM的FOC控制
速度响应
PI 速度控制

PI 速度+ FOC控制

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PMSM的FOC控制
弱磁运行
? 当反电势接近供电电压时会发生什 么? ? 为获得更高的速度必须削弱转子磁场 ? 定子d轴电流设置为负值 ? 弱磁运行时转矩减小、速度升高

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PMSM的FOC控制
FOC可实现低速的平滑控制和高速 的高效控制 梯形波(BLDC)换相可实现高速运 行时的高效率,但在低速时产生转 矩脉动和音频噪声 正弦驱动方式可实现低速的平滑控 制,但在高速运行时效率不高 FOC是克服上述两种缺陷的最好方 案
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课程安排
PMSM概述 PMSM的FOC控制 无传感器技术 DMCI介绍——一种有用的工具 演示1:整定PI参数 演示2:整定无传感器控制参数 回顾,答疑(Q&A)
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无传感器控制技术

课程内容
无传感器控制技术
? 用于BLDC的六步控制 ? PMSM的FOC控制

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BLDC的六步控制
每个电周期内进行六步换相 可使用霍尔传感器来确定何时进行 换相 反电势可用来提供相同的信息

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BLDC的六步控制
BLDC电机的反电势

DC+ A

A相和C相通电 未通电的B相将感 应反电势 通常对未通电的相 进行反电势监测
反电势

DC- C

B

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BLDC的六步控制
BLDC 反电势过零图解

0

0
T30 T60

0
60度区间

5

0

1

2
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3

4

5

0

1
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BLDC的六步控制
反电势过零法的详细介绍

在每个电周期中,都存在每一相未通电的区 域 在这些区域中,以未通电相绕组的一端作为 星形点的参考点,并对另一端进行监测 被监测电压在30电角度处穿越1/2 VDD点 在知道上一个过零时刻之后,即可知60电角 度(T60) 将T60除以2 = T30的值装载入TMR2 TMR2的ISR将在后面的T30时刻对下一对绕 组进行换相
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BLDC六步控制——汇总
相对来说,六步控制将产生更多的 转矩脉动 相电流为方波 对控制器的处理能力要求不高 不需要检测换相点之间的转子位置 起动斜坡参数必须反映出反电势信 号 BLDC比PMSM出力更大
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50

PMSM的无传感器FOC控制
N ref id ref Σ PI iq ref Σ PI Vq Vd PI d,q Vα Vβ SVM 三相 逆变桥

α,β

Σ
-

θ
d,q iα

iq id

α,β
a,b,c

ia ib

α,β



电机
位置 速度 位置和速度 估计

Vα Vβ

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PMSM的无传感器FOC控制
π/2 es

ωt

-π/2

位置估计
? 转子位置通过反电势信息进行计算
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PMSM的无传感器FOC控制
PMSM电气模型
i R L e

d vs = Ris + L is + es dt
d 1 R is = ? is + (vs ? es ) dt L L

v

电机

位置估计
? PMSM电机与有刷DC (BDC)、BLDC和 AC感应电机具有相同的基本电气模型
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PMSM的无传感器FOC控制
位置估计
is ( n + 1) ? is ( n) R 1 = ? ? is ( n) + ? (v s (n) ? es ( n) ) Ts L L

Ts R? ? is (n + 1) = ?1 ? Ts ? ? ? is (n) + ? (vs (n) ? es (n) ) L L? ?
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PMSM的无传感器FOC控制
电流观测器
Hardware

滑模
Is

控制器
+K

Vs

PMSM

1 d * R * is = ? is* + vs ? es ? z dt L L

(

)

I*s

+

Sign (I*s – Is)
-K

z

* 被估计变量
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55

PMSM的无传感器FOC控制
电流曲线图

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PMSM的无传感器FOC控制
反电势估计
d * R * 1 * is = ? is + vs ? es ? z dt L L
e*s z
LPF LPF

(

)

e

*
filtered

s

? eα arctan? ?e ? β

? ? ? ?

θ*

*被估计变量
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PMSM的无传感器FOC控制
反电势曲线图

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PMSM的无传感器FOC控制
位置和速度估计
θ*
? eα arctan? ?e ? β ? ? ? ?

+ +

θ*comp

ω*
ω = ? ∑ (θ (n ) - θ (n - 1))? ? K speed
? i =0 ? ?
7

?

ω*filtered
LPF

*被估计变量
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PMSM的无传感器FOC控制
相位补偿
? 对内在位置滤波进行补偿 ? 速度范围分为若干部分并对其中每一 个部分进行补偿 ? 提供了Excel电子表格计算器

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PMSM的无传感器FOC控制
Hardware

滑模控制器
Is -1
Sign (I*s – Is)

Vs

PMSM

d * R 1 * is = ? is* + vs ? es ? z dt L L

(

)

I*s

+

+1

e* z
LPF

z
s

LPF

e

*
filtered

s

?e arctan? α ?e ? β

? ? ? ?

θ*

θ*comp +

ω*
* 被估计变量
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+
LPF

ω = ? ∑ (θ (n ) - θ (n - 1))? ? K speed
? i =0 ?
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?

7

?

ω*filtered
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PMSM的无传感器FOC控制
实际结果 编码器转子位 置

估计的转子位 置

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PMSM的无传感器FOC控制
初始的给定转矩 iq ref Σ id ref PI Vq Vd PI d,q Vα Vβ SVM 三相逆变桥

α,β

Σ
-

θ
d,q iα

iq id

α,β
a,b,c

ia ib

α,β



电机起动
θ

电机

t
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PMSM的无传感器FOC控制
S4 Pressed
Motor Stopped
Initialize Variables and Peripherals Initialize Variables for Running Motor Read Reference Torque from VR1 Measure Winding Currents Convert Currents to Iq and Id

A/D Interrupt
Initialize PI Controller Parameters Enable Interrupts

Open Loop FOC
Set New Duty Cycles using SVM

Execute PI Controllers for Iq and Id

Reset

Motor Running Start Up

Increment Theta Based on Ramp

Motor Stopped
Stop Motor

S4 Pressed or FAULT S4 Pressed or FAULT

End of Start Up Ramp
Motor Running Sensorless FOC

A/D Interrupt
Read Reference Speed from VR2

主要的软件状态机

Set New Duty Cycles using SVM

Sensorless FOC

Measure Winding Currents

Execute PI Controllers for Speed, Iq and Id Compensate Theta Based on Speed Calculate Speed Estimate Theta using SMC

Convert Currents to Iq and Id

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未增加额外成本

dsPIC? DSC

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DMCI简介

DMCI简介
数据监视和控制界面 智能观察窗口 9个滑动条 35个输入控制 4幅图表

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滑动条
分配控制变量 适合用于PID控制 环整定 动态数据控制 9个布尔变量可用 于标志表征

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输入控制
文本框类型 可配置增量 动态数据输入 十六进制(Hex)、 小数、分数和枚举 列表(Enum List) 数据类型

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图表
多达4幅曲线图表 特性包括
? ? ? ? 视图缩小/放大 标示数据点 打印 导出为数据

动态数据视图

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演示1 整定 PI参数

演示1的主要内容
整定电流和速度PI参数 使用DMCI工具中的滑动条

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演示1
演示1的步骤说明:
? 在 MPLAB? IDE中,打开DMCI,选择“Tools -> Data Monitor And Control Interface”

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演示1
演示1的步骤说明:
? 在DMCI中,点按Open图标,并选择: “Demo 1\Demo1.dmci”文件

Demo 1.dmci

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演示1(续)
演示1的步骤说明(续):
? ? ? ? ? ? ? ? 打开Lab3项目 编程dsPIC? DSC 设置POT1为“ ”位置 点按S2使电机运行 通过按下S3使参考速度加倍 通过曲线图表分析瞬态响应 整定速度PI参数减少超调 整定Iq PI参数使得速度振荡最小
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演示1结果
PI整定 DMCI工具中滑动条的使用

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演示2 整定无传感器控制 参数

演示2
演示2的步骤说明:
? 在DMCI中,点击Open图标,并选择: “Demo2\Demo2.dmci” 文件

Demo2.dmci

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演示2(续)
演示2的步骤指令(续):
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 打开 Lab4项目 编程dsPIC? DSC 点按S2运行电机 电机将不会转变到闭环方式 暂停并分析曲线图表 将K滑动条设置为.9. 运行并分析 将K滑动条设置为.1.运行并分析 通过滑动条来改变最终速度 被估计电流会发生什么情况? Theta会发生什么情况?
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演示2
K滑动条 = 0.9 / 500 RPM K滑动条 = 0.1 / 500 RPM

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演示2
K滑动条 = 0.9 / 2000 RPM K滑动条 = 0.1 / 2000 RPM

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演示2结果
K滑动条整定。滑动条模式控制器 增益应足够高以跟踪被测电流。 增益应足够低以保持Theta尽量准 确。 电流估计值和测量值应在同一数量 级。 最终速度应足够高以获得准确的 Theta。
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课程内容
回顾,Q&A
? 汇总 ? 课程中使用的开发工具 ? 资源

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总结
PMSM
? 高效率和平滑的转矩输出是很有利的

FOC
? 可提供最优的转矩控制性能 ? 可在有或无位置传感器条件下使用 ? 可应用于ACIM

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本课程中使用的开发工具
dsPICDEM? MCLV电机控制开发 板(DM300021) 三相BLDC低压电机24V (AC300020) MPLAB? ICD 2在线调试器/编程器 (DV164005)

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资源
关于电机控制应用设计方面的资源和信息,请访问Microchip电机控制设 计中心网址: www.microchip.com/motor Microchip提供的关于电机控制应用方面的应用笔记:
PIC18CXXX/PIC16CXXX Servomotor Brushless DC Motor Control Made Easy Brushless DC (BLDC) Motor Fundamentals Brushless DC Motor Control Using PIC18FXX31 Using the dsPIC30F for Sensorless BLDC Control Using the dsPIC30F for Vector Control of an ACIM Sensored BLDC Motor Control Using dsPIC30F2010 Using the PIC18F2431 for Sensorless BLDC Motor Control An Introduction to ACIM Control Using the dsPIC30F Sensorless BLDC Motor Control Using dsPIC30F2010 Sinusoidal Control of PMSM Motors with dsPIC30F Sensorless Control of PMSM Motors Sensorless BLDC Control with Back EMF Filtering Sensorless Filtered BEMF with Majority Detect Sensorless Field Oriented Control of ACIM Sensorless BLDC Motor Control with PIC16 Getting started with the BLDC Motors and dsPIC30F Measuring speed and position with the QEI Module Driving ACIM with the dsPIC? DSC MCPWM Module Using the dsPIC30F Sensorless Motor Tuning Interface
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AN696 AN857 AN885 AN899 AN901 AN908 AN957 AN970 AN984 AN992 AN1017 AN1078 AN1083 AN1160 AN1162 AN1175 GS001 GS002 GS004 GS005
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资源
参见最新的电机控制设计解决方案 小册子

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谢谢

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商标
Microchip 的名称和徽标组合、Microchip 徽标、Accuron、dsPIC、 KeeLoq、KeeLoq徽标、MPLAB、PIC、PICmicro、PICSTART、rfPIC 和SmartShunt均为Microchip Technology Inc.在美国和其他国家或地区的 注册商标。 FilterLab、Linear Active Thermistor、MXDEV、MXLAB、SEEVAL、 SmartSensor和The Embedded Control Solutions Company 均为 Microchip Technology Inc.在美国的注册商标。 Analog-for-the-Digital Age、Application Maestro、CodeGuard、 dsPICDEM、dsPICDEM.net、dsPICworks、dsSPEAK、ECAN、 ECONOMONITOR、FanSense、In-Circuit Serial Programming、ICSP 、ICEPIC、Mindi、MiWi、MPASM、MPLAB Certified徽标、MPLIB、 MPLINK、mTouch、PICkit、PICDEM、PICDEM.net、PICtail、PIC32 徽标、PowerCal、PowerInfo、PowerMate、PowerTool、REAL ICE、 rfLAB、Select Mode、Total Endurance、UNI/O、WiperLock和ZENA均 为Microchip Technology Inc.在美国和其他国家或地区的商标。 SQTP是Microchip Technology Inc.在美国的服务标记。 在此提及的所有其他商标均为各持有公司所有。 ? 2008, Microchip Technology Inc.版权所有。

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