基于硬件FOC的无刷直流电机驱动器设计*

王其军,杨 坤,苏占彪,杨 峰

(1.西南石油大学 石油与天然气工程学院,四川 成都 610500；2.西南石油大学 机电工程学院,四川 成都 610500； 3.四川中匠科技有限公司,四川 南充 637000)

0 引 言

与有刷直流电机相比,无刷直流电机(brushless DC,BLDC)用电子换向器取代了机械换向器,因此BLDC既具有直流电机良好的调速性能等特点,又具有交流电机结构简单、无换向火花、运行可靠和易于维护等优点,广泛应用于电子数码消费品、工业控制、医疗设备、家用电器等领域[1]。BLDC的驱动控制的方式有方波驱动与正弦波驱动。方波驱动控制简单,但会产生刺耳的噪音,在电机的低速状态下非常难控制；尽管正弦波驱动能够做到平滑的换向,在低速状态也具有良好的控制效果,但在高速状态下,由于电流环必须跟踪频率不断升高的弦波信号,还要克服由于振幅和频率不断提高的电机反电动势,当达到控制器的极限带宽时,这种控制就失去了作用。矢量控制(field oriented control,FOC)既具有正弦波驱动的平滑控制,又解决了高速状态下失控的问题,并且由于其控制特点,能够使电机运行更加高效[2]。本文设计了基于FOC的BLDC驱动器。

1 FOC工作原理

在BLDC中,电机的转子受到两个力的作用：1)由空间平行电流ID施加的拉力;2)由空间垂直电流IQ施加的转矩。扭矩使电机产生转动,而拉力阻碍电机运动。因此在理想的矢量控制执行闭环电流调节时,使ID为0,使IQ为控制所需的力矩。FOC的核心思想即是通过坐标变换的方式直接控制ID与IQ,其实现过程如下：首先,FOC将三相定子电流作为电流矢量(IU；IV；IW),并计算三个电压矢量(UU；UV；UW),依据不同坐标下,产生磁动势相同,且变换前后功率不断,电流变换阵与电压变换阵统一的原则,考虑转子的转动方向,通过Clark变换,将静止的三坐标系转换为静止的两坐标系。其次,在两坐标系基础上,矢量控制将两相定子电流作为电流矢量(IX；IY),并计算两个电压矢量(UX；UY),考虑转子的转动方向,通过Park变换,将静止的两坐标系转换为旋转的两坐标系ID[3～6]。

图1为采用FOC的方式控制BLDC电机的过程,经由FOC变换(Clark与Park变换),将三相电流转换为空间平行电流ID与空间垂直电流IQ。经过FOC逆变化逆(Clark变换与逆Park变换),将两相电流转换为三相电流用于控制电机；由于在Park变换与逆Park变换时需要旋转坐标与静止坐标轴的夹角,这里的编码器信号需要同时进入FOC变换与FOC逆变换中[7]。

图1 矢量控制理过程

2 FOC相关参数

通过坐标变换的方式,将静态的三相电流转换为旋转的两相电流,只需控制两相电流ID与IQ,便能达到对电机的控制。为此,需要在静态参数外(如电机的极对数、编码器每转一圈的脉冲、编码器相对于转子磁轴的方向、编码器计数方向),再添加一些动态参数,如定子线圈电流、转子角度。除此之外,用于闭环相电流控制的两个PI控制器中的P参数与I参数的调整取决于电机的电气参数,如电机的电阻、电感、反电动势常数,及供电电压。

定子线圈电流的测量是FOC计算定子磁场的必要条件,而定子磁场是由流经定子线圈的电流引起的,电机转矩与电机电流成正比,因此,定子线圈电流在FOC中代表电机转矩。电机转矩由电机转矩常数决定,方向由转子相对于定子磁场的运动方向决定。

转子角度是无刷电机控制的重要参数。转子角度的确定大致有两种方式,第一,通过位置传感器获得,如模拟编码器、数字编码器、霍尔传感器；第二,依据电机的数学模型,只依靠电压电流信息计算转子角度,实现无传感器测量,但这种方式在低速和零速状态下难以获得较好的位置估计[8]。

转子角度由编码器测量,对于编码器而言,每转动一圈的脉冲数(PPR)是重要的参数,PPR与编码器结构有关。在FOC中,磁场的旋转方向须与编码器信号所表示的转子位置运动方向一致,当磁场正向旋转时,编码器的位置需要转换为相同的正方向,当磁场逆向旋转时,需要变为相同的负方向。因此需要在使用编码器时进相对方向的行初始化。

在FOC中,两个PI控制器的P参数及I参数也是至关重要的,其中一个PI控制器控制产生转矩的电流IQ,另一个则是控制ID为0。

3 硬件FOC

硬件FOC芯片TMC4671是一个完全集成的控制器,包含了完整的控制回路架构(位置闭环、速度闭环、转矩闭环)、用于通信所需的外围接口、用于反馈(电流、电压测量、编码器、霍尔传感器)的信号接口,以及一些有用的附加引脚。作为模块化的硬件,能够负责所有关键的实时任务,将实时的矢量控制、实时的子任务(电流测量、位置传感器信号处理、脉宽调制(pulse width modulation,PWM)信号生成与用户的应用分离出来,简化的目标任务。

TMC4671内部由应用程序接口、寄存器库、ADC通道、编码器通道、FOC转矩PI控制器、速度PI控制器、位置P控制器以及PWM输出通道组成,其中ADC采集通道将原始的ADC数据通过缩放映射到内部的电流控制环路,内部FOC转矩PI控制器所需的所有转换(Clark变换、Park变换、逆Clark变换、逆Park变换),都是由纯硬件搭建。相比于软件构成的控制系统,运算速度得到了极大的提高,使得它可以支持最高的控制环路速度和PWM频率。

TMC4671作为SOC(片上系统),大大减少了所需组件的数量,更重要的是,它减少了PCB空间。与传统的电机伺服控制(由电机的线缆与编码器和单独的控制盒连接)相比,硬件矢量控制芯片高度集成,尺寸紧凑、性能高,使其能够轻松实现电机的嵌入式控制。

4 驱动电路设计

4.1 整体结构设计

采用TMC4671芯片为核心,所设计的直流无刷电机驱动器结构如图2所示。其中,单片机、硬件FOC芯片与电流传感器均采用3.3 V供电,编码器使用5 V供电,MOSFET驱动电路部分的供电与MOSFET场效应管的选择决定了驱动电机的功率,根据应用条件不同,电压范围在12～60 V[9]。

图2 驱动器结构

单片机通过SPI通信的方式访问TMC4671芯片中的寄存器,进行初始化编码器方向,以及设置电机极对数、PI控制器参数、电机运动模式等一系列参数,并配合编码器以及电流传感器进行参数的初始化,确保采集的电流信号能够通过正确的缩放因子进入FOC控制回路中,使得电机能以正确的方式进行运动。

所设计的驱动器围绕TMC4671进行外围电路设计,确保芯片正常运行以及反馈信号、通信信号的采集与传输,最终控制信号通过MOSFET电路对电机进行控制。

4.2 相电流采集电路

对于三相无刷电机而言,需要测量其两相电流,通过基尔霍夫定律即可算出另一相的电流。测量相电流主要有两种方法。一种是采用电阻与差分放大器测量的方式,放大器如LT1999或AD8418A;另一种方式是采用电流传感器进行测量,电流传感器使用霍尔效应或其他磁效应实现电流的测量,如ASC711,CSNE151[10]。放大器测量的成本成本相对较低,而采用电流传感器的方式,可以在较高的电压环境下进行测量。

4.3 编码器采样电路

目前市面上的ABN编码器通常都是差分信号输入的编码器,即输出信号为A+,A-,B+,B-,Z+,Z-,其中A信号与B信号为脉冲输出信号,两个信号相差90°的相位差,根据A信号超前于B信号还是滞后于B信号判断旋转方向,Z信号为0位信号,当电机旋转一圈后输出一个脉冲,采用差分信号的方式具有良好的抗干扰性,能够传输较远距离[11],在ABZ三相信号进入硬件FOC需要通过将差分信号转换为单端信号,例如使用AD8130或ISL32173。

编码器的参考工作电压通常为5 V,而硬件FOC工作在3.3 V电压下。需要对硬件FOC输入引脚进行保护,图3为编码器信号采样电路。

图3 编码器信号采样电路

原始信号通过分压电阻,并通过一个低通滤波器进行滤波,在信号进入硬件FOC中前,使用二极管进行过压与欠压保护,低通滤波器的截至频率为

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4.4 MOSFET驱动电路

三相无刷直流电机的MOSFET驱动电路通常采用三个半桥驱动电路实现,每个半桥电路连接电机的一个相线,该电路可靠性高、外围元件少,驱动能力强。图4为一相的半桥驱动电路,为确保运行可靠,在靠近电源VM处放置滤波电容,以防止超调与振铃,在MOSFET栅极增加了一个电阻Rg,确保驱动信号的干净与可靠,在PCB的布局上,调整桥的布局变得紧凑,以获得最小的环路电感。

图4 半桥驱动电路

4.5 实际电路

TMC4671的高度集成化,配合其他集成化芯片,能够做到尺寸足够小的伺服驱动控制电路板,采用集成芯片所设计的驱动控制电路板,在印刷电路板(PCB)两面分布元器件,图5为所设计的电路板与橡皮擦的尺寸比较图。

图5 实际电路板

5 实验验证

使用所设计的驱动器应用于杰美康的42JSF630AS—1000型号直流无刷伺服电机,设定目标转矩为0.5N×M,为验证其控制效果,在电机正常运行一段时间后施加一个外部干扰,图6为电机运行过程中的实际转矩及速度的变化波形。

图6 实际转矩及速度波形

由图6可以看出：电机在正常运行过程中转速及转矩波动小,运转平稳,在施加外部干扰后能够迅速进行调整,回到设定目标值附近。

6 结束语

本文介绍了矢量控制的基本原理及相关参数,采用硬件FOC芯片TMC4671将该控制方法应用于无刷直流电机,设计了一种驱动控制器,以硬件的方式实现复杂的算法,较软件实现的方式运算速度更快、更可靠、更稳定,更重要的是,采用该方式容易实现电机驱动控制的嵌入式发展,值得借鉴与推广使用。