TI InstaSpin FOC与Motion控制技术详解

电机控制

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"TI InstaSpin FOC控制技术是TI公司推出的一种先进的电机控制解决方案，涵盖了软硬件两方面的内容，适合初学者学习。该技术包括了InstaSPIN-FOC和InstaSPIN-MOTION两个核心部分，提供了高效、精确的电机控制体验。文档详细介绍了这两个技术的特性和工作原理，同时提供了快速入门指南和MotorWare软件框架的详细内容，帮助用户理解和应用这些技术。" TI的InstaSPIN-FOC是一种基于磁场定向控制（FOC）的无传感器电机控制技术，它通过估算器FAST（Fast Adaptive Sensorless Technology）来实现对电机状态的准确估计，即便在没有传感器的情况下也能提供高性能的FOC控制。FAST估算器具备多种特性，如高精度、快速响应等，使得系统能快速适应变化的电机条件。InstaSPIN-FOC的解决方案特性包括自动参数调整、低噪声运行和出色的动态性能，其工作流程通过方框图清晰展示，便于理解。 InstaSPIN-MOTION则是TI针对电机运动控制的解决方案，它结合了SpinTAC（Spin Speed and Torque Control）技术，提供了关键功能如高速响应、低振动运行和精确的位置控制。InstaSPIN-MOTION的优势在于其能够实现复杂运动控制任务，如平滑的加减速、精准定位等，并通过其特有的方框图展示工作原理。快速入门套件由TI提供，包含了软件和硬件资源，帮助用户快速熟悉和评估InstaSPIN-FOC和InstaSPIN-MOTION。这个套件包含了完整的MotorWare软件框架，MotorWare是一个强大的、面向对象的软件库，专门设计用于电机控制。其目录结构包括drivers、ide、modules和solutions等子目录，分别对应驱动程序、集成开发环境、模块化功能和预配置解决方案。 MotorWare采用面向对象的设计，定义了一系列的对象和方法，如控制器对象、估算器对象、硬件抽象层对象和用户设置对象等，为开发者提供了丰富的接口进行电机控制操作。同时，InstaSPIN-FOC的API接口如ctrl.c、ctrl.h、CTRL_obj.h等，以及估算器API、HAL API、用户设置API等，为开发者提供了灵活的编程工具。而InstaSPIN-MOTION和SpinTAC的API则涉及头文件、公共库和ROM库，为实现更高级的运动控制提供了支持。通过这些详细的信息，用户可以深入了解并实践TI的InstaSPIN FOC控制技术，从而实现高效的电机控制和运动控制应用。

资源详情

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www.ti.com.cn

14-53. 速度图 ...................................................................................................................... 508

14-54. 转矩图 ...................................................................................................................... 508

14-55. Iq 电流图 ................................................................................................................... 509

14-56. 需要电机对准时满载最快速度启动电机的图例 ........................................................................ 510

14-57. 放大的电流图 .............................................................................................................. 511

14-58. 磁通量图 ................................................................................................................... 512

14-59. 角度图 ...................................................................................................................... 512

14-60. 放大的角度图 .............................................................................................................. 513

14-61. 速度图 ...................................................................................................................... 513

14-62. 转矩图 ...................................................................................................................... 514

14-63. Iq 电流图 ................................................................................................................... 514

14-64. 过载和电机过热图......................................................................................................... 515

14-65. 放大的过载和电机过热图................................................................................................. 515

14-66. 定子电阻图................................................................................................................. 516

14-67. 磁通量图 ................................................................................................................... 516

14-68. 角度图 ...................................................................................................................... 517

14-69. 放大的角度图 .............................................................................................................. 517

14-70. 速度图 ...................................................................................................................... 518

14-71. 转矩图 ...................................................................................................................... 518

14-72. Iq 电流图 ................................................................................................................... 519

15-1. FAST 估算器 - Rs 在线特性突出显示 .................................................................................. 520

15-2. Rs 在线重校准............................................................................................................. 522

15-3. 轻负载下的相位电流 - 禁用 Rs 在线重校准............................................................................ 523

15-4. 轻负载下的相位电流 - 启用 Rs 在线重校准............................................................................ 523

15-5. 存在机械负载时的相位电流 - 禁用 Rs 在线重校准.................................................................... 523

15-6. 存在机械负载时的相位电流 - 启用 Rs 在线重校准.................................................................... 524

15-7. Rs 在线和 Rs 离线重校准流程图........................................................................................ 525

15-8. 针对 Rs 在线重校准添加 0.25A 电流的结果 ........................................................................... 529

15-9. 针对 Rs 在线重校准增加负载的结果.................................................................................... 530

15-10. 启用 Rs 在线重校准时的最大电流 ...................................................................................... 531

15-11. 电机电流 2.2A 与 5% Rs 在线电流 ..................................................................................... 531

15-12. 频率等于慢速转角频率时的电流波形变化.............................................................................. 533

15-13. RsOnLine_Angle_Delta_pu 的结果..................................................................................... 534

15-14. 初始值差异的电阻响应 ................................................................................................... 535

15-15. 增量值更改为默认值的两倍 .............................................................................................. 535

15-16. 随截止频率变化的 Rs 在线电阻值 ...................................................................................... 536

16-1. 采用 PowerWarp 的 FAST 估算器 ...................................................................................... 540

16-2. InstaSPIN 控制器流程图 - 在闭环中执行 PowerWarp................................................................ 541

16-3. FAST 估算器状态机流程图 - 在闭环中执行 PowerWarp............................................................. 542

16-4. PowerWarp 提升电机效率 ............................................................................................... 544

16-5. 启用 PowerWarp 时电流下降............................................................................................ 544

16-6. 禁用 PowerWarp 时的电流斜率 ......................................................................................... 545

16-7. 启用 PowerWarp 算法与 TRIAC 控制感应电机 ....................................................................... 546

16-8. 启用 PowerWarp 时的 InstaSPIN-FOC 与禁用 PowerWarp 时的 InstaSPIN-FOC.............................. 547

17-1. 通过计数器采样的典型 SVM 波形 ...................................................................................... 549

17-2. 逆变器单分流电流测量电路 .............................................................................................. 550

17-3. 采样时间足够长时的单分流电流测量技术.............................................................................. 550

17-4. SVM 和不允许测量电流的区域 .......................................................................................... 551

17-5. 电流采样窗口消失时的示例 .............................................................................................. 551

附图目录

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附附表表目目录录

1-1. FAST 估算器与典型解决方案对比 ....................................................................................... 26

1-2. InstaSPIN-MOTION 应用示例 ............................................................................................ 30

3-1. 用户代码头文件 ........................................................................................................... 167

3-2. SpinTAC 版本结构........................................................................................................ 167

3-3. SpinTAC 结构名称........................................................................................................ 168

3-4. SpinTAC 变量 ............................................................................................................. 169

3-5. SpinTAC 速度控制接口参数 ............................................................................................. 171

3-6. SpinTAC 速度控制状态转换 ............................................................................................. 172

3-7. SpinTAC 速度移动接口 .................................................................................................. 173

3-8. SpinTAC 速度移动状态转换 ............................................................................................. 175

3-9. SpinTAC 速度规划接口 .................................................................................................. 176

3-10. SpinTAC 速度规划状态转换 ............................................................................................. 177

3-11. SpinTAC 速度规划附加函数 ............................................................................................. 178

3-12. SpinTAC 速度识别接口和参数 .......................................................................................... 179

3-13. SpinTAC 速度识别状态转换 ............................................................................................. 180

3-14. SpinTAC 位置转换接口和参数 .......................................................................................... 181

3-15. SpinTAC 位置转换状态转换 ............................................................................................. 183

3-16. SpinTAC 位置控制接口参数 ............................................................................................. 184

3-17. SpinTAC 位置控制状态转换 ............................................................................................. 185

3-18. SpinTAC 位置移动接口 .................................................................................................. 186

3-19. 位置移动状态转换......................................................................................................... 188

3-20. SpinTAC 位置规划接口 .................................................................................................. 190

3-21. SpinTAC 位置规划状态转换 ............................................................................................. 191

3-22. SpinTAC 位置规划附加函数 ............................................................................................. 191

4-1. user.h 中的 ACIM 电机参数 ............................................................................................. 218

5-1. hal.c 配置 PLL............................................................................................................. 226

5-2. 最大 SVM 输入范围....................................................................................................... 227

6-1. 控制器 (CTRL) 状态 ...................................................................................................... 242

6-2. 控制器 (CTRL) 状态图的状态转换 ...................................................................................... 242

6-3. 估算器 (EST) 状态 ........................................................................................................ 244

6-4. 估算器 (EST) 状态图的状态转换 ........................................................................................ 245

6-5. PMSM 和 ACIM EST 状态列表 ......................................................................................... 247

6-6. user.h 中的 PMSM 电机参数 ............................................................................................ 293

7-1. SpinTAC 速度识别错误代码 ............................................................................................. 310

8-1. 支持 InstaSPIN 的器件 ................................................................................................... 317

8-2. 为 InstaSPIN-FOC 库分配的内存 ....................................................................................... 326

8-3. ROM 表地址 ............................................................................................................... 326

8-4. InstaSPIN-FOC 占用的 F2806xF 和 F2805xF 器件内存总量 ....................................................... 328

8-5. InstaSPIN-FOC 占用的 F2802xF 器件内存总量 ...................................................................... 328

8-6. 针对 SpinTAC 组成部分的代码尺寸和 RAM 用量 .................................................................... 328

8-7. SpinTAC 组成部分 + InstaSPIN-FOC 的堆栈利用率 ................................................................. 329

8-8. CPU 执行时间等待状态（F2806xF 和 F2806xM 器件） ............................................................ 329

8-9. CPU 执行时间等待状态（F2805xF 和 F2805xM 器件） ............................................................ 329

8-10. CPU 执行时间等待状态（F2802xF 器件） ............................................................................ 329

8-11. 在 RAM 中进行完全执行的内存用量.................................................................................... 331

8-12. 在 RAM 中进行完全执行 ................................................................................................. 332

8-13. 在 RAM 中进行最小执行的内存用量.................................................................................... 332

附表目录

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SPRUHJ1 — http://www-s.ti.com/sc/techlit/SPRUHJ1

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8-14. 在 RAM 中进行最小执行 ................................................................................................. 332

8-15. 在闪存中进行完全执行的内存用量...................................................................................... 333

8-16. 在闪存中进行完全执行 ................................................................................................... 333

8-17. 在闪存中进行最小执行的内存用量...................................................................................... 334

8-18. 在闪存中进行最小执行 ................................................................................................... 334

8-19. 在 ROM 和闪存中进行完全执行......................................................................................... 335

8-20. 在 ROM 和闪存中进行最小执行......................................................................................... 336

8-21. 在 ROM 和闪存中进行完全执行......................................................................................... 336

8-22. 在 ROM 和闪存中进行最小执行......................................................................................... 337

8-23. F2806xM 器件在 RAM 中执行库时 SpinTAC 的 CPU 周期利用率 ................................................. 339

8-24. F2806xM 器件在闪存中执行库时 SpinTAC 的 CPU 周期利用率 ................................................... 340

8-25. 在 ROM 和闪存中进行完全执行......................................................................................... 346

8-26. 在 ROM 和闪存中进行完全执行......................................................................................... 347

8-27. F2805xM 器件在闪存中执行库时 SpinTAC 的 CPU 周期利用率 ................................................... 347

8-28. 在闪存中进行最小执行的内存用量...................................................................................... 349

8-29. 在闪存中进行最小执行 ................................................................................................... 349

8-30. 在 ROM、RAM 和闪存中进行最小执行 ................................................................................ 350

8-31. 在 ROM、RAM 和闪存中进行最小执行 ................................................................................ 350

8-32. 每个电机的引脚利用率 ................................................................................................... 351

12-1. 时域常见标准 .............................................................................................................. 420

12-2. SpinTAC 速度控制 ERR_ID 代码 ....................................................................................... 424

12-3. SpinTAC 位置控制 ERR_ID 代码 ....................................................................................... 436

12-4. InstaSPIN-MOTION 位置控制优势 ..................................................................................... 441

13-1. SpinTAC 速度移动 ERR_ID 代码 ....................................................................................... 451

13-2. SpinTAC 位置移动 ERR_ID 代码 ....................................................................................... 454

13-3. SpinTAC 速度规划元素的内存要求 ..................................................................................... 456

13-4. SpinTAC 速度规划 ERR_ID ............................................................................................. 465

13-5. SpinTAC 速度规划 ERR_code .......................................................................................... 466

13-6. SpinTAC 位置规划 ERR_ID ............................................................................................. 472

13-7. SpinTAC 位置规划 ERR_code .......................................................................................... 473

15-1. 温度传感器实现值......................................................................................................... 538

17-1. 八种 SVM 开关状态....................................................................................................... 550

17-2. TI 开发套件的电流和电压额定值 ........................................................................................ 554

17-3. 针对相应检测电阻器数量的推荐运算放大器转换率 ................................................................... 555

18-1. 将正交编码器连接到 eQEP 模块所需的引脚 .......................................................................... 557

18-2. SpinTAC 位置转换 ERR_ID 代码 ....................................................................................... 560

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附表目录

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Chapter 1

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简简介介

欢迎并感谢您选择德州仪器 (TI) InstaSPIN™ 解决方案。本文档将提供 InstaSPIN 的详细技术信息，指导您

将此解决方案集成到应用中。本文档的结构汇总如下：

• 简介

– InstaSPIN-FOC™ 和 FAST™

– InstaSPIN-MOTION™ 和 SpinTAC™

• 利用 TI 硬件和软件直接运行电机

• 了解软件详细信息，从回顾 API 函数调用到状态图再到调整速度和位置控制环路

• 了解直接影响 InstaSPIN 性能的硬件部分。

上述提供的所有内容均有助于您使用 InstaSPIN-FOC 或 InstaSPIN-MOTION 软件开发出成功的产品。各个

示例项目（实验）是取得成功的关键部分，专为本文档中的主题而设计。它们不仅可以用于 InstaSPIN 实

验，还可用作设计参考。有关最新的 InstaSPIN-FOC 和 InstaSPIN-MOTION 解决方案与设计资源，以及实

用视频，请参见 http://www.ti.com/instaspin。

有关本文档中使用的术语的定义，请参见本文档末尾的附录 A。以下为最常用的术语：

• FOC：

– 磁场定向控制

• InstaSPIN-FOC：

– 通过特定器件（FAST 观测器，FOC，速度和电流环路）上的 TI 片上 ROM 提供完整的无传感器

FOC 解决方案，无需使用任何机械转子传感器即可有效控制电机。

• FAST

– 统一观测器结构，此结构充分利用那些使用磁通量进行能量转换的所有电机之间的相似性，自动识别

所需的电机参数并提供电机反馈信号：磁通、磁通角、电机转轴转速和转矩。

• SpinTAC 运动控制套件：

– 包括一个高级速度和位置控制器，一个运动引擎，和一个运动序列规划器。 SpinTAC 抗扰速度控制

器主动估算且实时补偿系统干扰，从而提升总体产品性能。 SpinTAC 运动电机根据用户定义的参数

来计算理想基准信号（具有前馈）。 SpinTAC 支持标准工业曲线以及 LineStream 的专有“平滑轨迹”

曲线。 SpinTAC 运动序列规划器运行用户定义的状态转换图，从而轻松设计复杂运动序列。

• InstaSPIN-MOTION:

– 一款无传感器或传感 FOC 综合解决方案，用于电机控制、运动控制、速度控制和位置控制。此解决

方案以最高效率为运行在不同运动状态转换中的电机应用提供稳健耐用的系统性能。 InstaSPIN-

MOTION 包含 FAST 统一软件观测器，可与 LineStream Technologies 公司的 SpinTA 运动控制套件

配套使用。

• MotorWare™ 软件：

– TI 提供的电机控制可扩展软件架构，InstaSPIN-FOC 是其中一部分。

简介

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