王其軍,楊 坤,蘇占彪,楊 峰

(1.西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院,四川 成都 610500；2.西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)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

與有刷直流電機(jī)相比,無(wú)刷直流電機(jī)(brushless DC,BLDC)用電子換向器取代了機(jī)械換向器,因此BLDC既具有直流電機(jī)良好的調(diào)速性能等特點(diǎn),又具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)換向火花、運(yùn)行可靠和易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于電子數(shù)碼消費(fèi)品、工業(yè)控制、醫(yī)療設(shè)備、家用電器等領(lǐng)域[1]。BLDC的驅(qū)動(dòng)控制的方式有方波驅(qū)動(dòng)與正弦波驅(qū)動(dòng)。方波驅(qū)動(dòng)控制簡(jiǎn)單,但會(huì)產(chǎn)生刺耳的噪音,在電機(jī)的低速狀態(tài)下非常難控制；盡管正弦波驅(qū)動(dòng)能夠做到平滑的換向,在低速狀態(tài)也具有良好的控制效果,但在高速狀態(tài)下,由于電流環(huán)必須跟蹤頻率不斷升高的弦波信號(hào),還要克服由于振幅和頻率不斷提高的電機(jī)反電動(dòng)勢(shì),當(dāng)達(dá)到控制器的極限帶寬時(shí),這種控制就失去了作用。矢量控制(field oriented control,FOC)既具有正弦波驅(qū)動(dòng)的平滑控制,又解決了高速狀態(tài)下失控的問(wèn)題,并且由于其控制特點(diǎn),能夠使電機(jī)運(yùn)行更加高效[2]。本文設(shè)計(jì)了基于FOC的BLDC驅(qū)動(dòng)器。

1 FOC工作原理

在BLDC中,電機(jī)的轉(zhuǎn)子受到兩個(gè)力的作用：1)由空間平行電流ID施加的拉力;2)由空間垂直電流IQ施加的轉(zhuǎn)矩。扭矩使電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng),而拉力阻礙電機(jī)運(yùn)動(dòng)。因此在理想的矢量控制執(zhí)行閉環(huán)電流調(diào)節(jié)時(shí),使ID為0,使IQ為控制所需的力矩。FOC的核心思想即是通過(guò)坐標(biāo)變換的方式直接控制ID與IQ,其實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：首先,FOC將三相定子電流作為電流矢量(IU；IV；IW),并計(jì)算三個(gè)電壓矢量(UU；UV；UW),依據(jù)不同坐標(biāo)下,產(chǎn)生磁動(dòng)勢(shì)相同,且變換前后功率不斷,電流變換陣與電壓變換陣統(tǒng)一的原則,考慮轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向,通過(guò)Clark變換,將靜止的三坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為靜止的兩坐標(biāo)系。其次,在兩坐標(biāo)系基礎(chǔ)上,矢量控制將兩相定子電流作為電流矢量(IX；IY),并計(jì)算兩個(gè)電壓矢量(UX；UY),考慮轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向,通過(guò)Park變換,將靜止的兩坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的兩坐標(biāo)系ID[3～6]。

圖1為采用FOC的方式控制BLDC電機(jī)的過(guò)程,經(jīng)由FOC變換(Clark與Park變換),將三相電流轉(zhuǎn)換為空間平行電流ID與空間垂直電流IQ。經(jīng)過(guò)FOC逆變化逆(Clark變換與逆Park變換),將兩相電流轉(zhuǎn)換為三相電流用于控制電機(jī)；由于在Park變換與逆Park變換時(shí)需要旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)與靜止坐標(biāo)軸的夾角,這里的編碼器信號(hào)需要同時(shí)進(jìn)入FOC變換與FOC逆變換中[7]。

圖1 矢量控制理過(guò)程

2 FOC相關(guān)參數(shù)

通過(guò)坐標(biāo)變換的方式,將靜態(tài)的三相電流轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的兩相電流,只需控制兩相電流ID與IQ,便能達(dá)到對(duì)電機(jī)的控制。為此,需要在靜態(tài)參數(shù)外(如電機(jī)的極對(duì)數(shù)、編碼器每轉(zhuǎn)一圈的脈沖、編碼器相對(duì)于轉(zhuǎn)子磁軸的方向、編碼器計(jì)數(shù)方向),再添加一些動(dòng)態(tài)參數(shù),如定子線圈電流、轉(zhuǎn)子角度。除此之外,用于閉環(huán)相電流控制的兩個(gè)PI控制器中的P參數(shù)與I參數(shù)的調(diào)整取決于電機(jī)的電氣參數(shù),如電機(jī)的電阻、電感、反電動(dòng)勢(shì)常數(shù),及供電電壓。

定子線圈電流的測(cè)量是FOC計(jì)算定子磁場(chǎng)的必要條件,而定子磁場(chǎng)是由流經(jīng)定子線圈的電流引起的,電機(jī)轉(zhuǎn)矩與電機(jī)電流成正比,因此,定子線圈電流在FOC中代表電機(jī)轉(zhuǎn)矩。電機(jī)轉(zhuǎn)矩由電機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)決定,方向由轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)方向決定。

轉(zhuǎn)子角度是無(wú)刷電機(jī)控制的重要參數(shù)。轉(zhuǎn)子角度的確定大致有兩種方式,第一,通過(guò)位置傳感器獲得,如模擬編碼器、數(shù)字編碼器、霍爾傳感器；第二,依據(jù)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型,只依靠電壓電流信息計(jì)算轉(zhuǎn)子角度,實(shí)現(xiàn)無(wú)傳感器測(cè)量,但這種方式在低速和零速狀態(tài)下難以獲得較好的位置估計(jì)[8]。

轉(zhuǎn)子角度由編碼器測(cè)量,對(duì)于編碼器而言,每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈的脈沖數(shù)(PPR)是重要的參數(shù),PPR與編碼器結(jié)構(gòu)有關(guān)。在FOC中,磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向須與編碼器信號(hào)所表示的轉(zhuǎn)子位置運(yùn)動(dòng)方向一致,當(dāng)磁場(chǎng)正向旋轉(zhuǎn)時(shí),編碼器的位置需要轉(zhuǎn)換為相同的正方向,當(dāng)磁場(chǎng)逆向旋轉(zhuǎn)時(shí),需要變?yōu)橄嗤呢?fù)方向。因此需要在使用編碼器時(shí)進(jìn)相對(duì)方向的行初始化。

在FOC中,兩個(gè)PI控制器的P參數(shù)及I參數(shù)也是至關(guān)重要的,其中一個(gè)PI控制器控制產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流IQ,另一個(gè)則是控制ID為0。

3 硬件FOC

硬件FOC芯片TMC4671是一個(gè)完全集成的控制器,包含了完整的控制回路架構(gòu)(位置閉環(huán)、速度閉環(huán)、轉(zhuǎn)矩閉環(huán))、用于通信所需的外圍接口、用于反饋(電流、電壓測(cè)量、編碼器、霍爾傳感器)的信號(hào)接口,以及一些有用的附加引腳。作為模塊化的硬件,能夠負(fù)責(zé)所有關(guān)鍵的實(shí)時(shí)任務(wù),將實(shí)時(shí)的矢量控制、實(shí)時(shí)的子任務(wù)(電流測(cè)量、位置傳感器信號(hào)處理、脈寬調(diào)制(pulse width modulation,PWM)信號(hào)生成與用戶的應(yīng)用分離出來(lái),簡(jiǎn)化的目標(biāo)任務(wù)。

TMC4671內(nèi)部由應(yīng)用程序接口、寄存器庫(kù)、ADC通道、編碼器通道、FOC轉(zhuǎn)矩PI控制器、速度PI控制器、位置P控制器以及PWM輸出通道組成,其中ADC采集通道將原始的ADC數(shù)據(jù)通過(guò)縮放映射到內(nèi)部的電流控制環(huán)路,內(nèi)部FOC轉(zhuǎn)矩PI控制器所需的所有轉(zhuǎn)換(Clark變換、Park變換、逆Clark變換、逆Park變換),都是由純硬件搭建。相比于軟件構(gòu)成的控制系統(tǒng),運(yùn)算速度得到了極大的提高,使得它可以支持最高的控制環(huán)路速度和PWM頻率。

TMC4671作為SOC(片上系統(tǒng)),大大減少了所需組件的數(shù)量,更重要的是,它減少了PCB空間。與傳統(tǒng)的電機(jī)伺服控制(由電機(jī)的線纜與編碼器和單獨(dú)的控制盒連接)相比,硬件矢量控制芯片高度集成,尺寸緊湊、性能高,使其能夠輕松實(shí)現(xiàn)電機(jī)的嵌入式控制。

4 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

4.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用TMC4671芯片為核心,所設(shè)計(jì)的直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中,單片機(jī)、硬件FOC芯片與電流傳感器均采用3.3 V供電,編碼器使用5 V供電,MOSFET驅(qū)動(dòng)電路部分的供電與MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管的選擇決定了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率,根據(jù)應(yīng)用條件不同,電壓范圍在12～60 V[9]。

圖2 驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)

單片機(jī)通過(guò)SPI通信的方式訪問(wèn)TMC4671芯片中的寄存器,進(jìn)行初始化編碼器方向,以及設(shè)置電機(jī)極對(duì)數(shù)、PI控制器參數(shù)、電機(jī)運(yùn)動(dòng)模式等一系列參數(shù),并配合編碼器以及電流傳感器進(jìn)行參數(shù)的初始化,確保采集的電流信號(hào)能夠通過(guò)正確的縮放因子進(jìn)入FOC控制回路中,使得電機(jī)能以正確的方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器圍繞TMC4671進(jìn)行外圍電路設(shè)計(jì),確保芯片正常運(yùn)行以及反饋信號(hào)、通信信號(hào)的采集與傳輸,最終控制信號(hào)通過(guò)MOSFET電路對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。

4.2 相電流采集電路

對(duì)于三相無(wú)刷電機(jī)而言,需要測(cè)量其兩相電流,通過(guò)基爾霍夫定律即可算出另一相的電流。測(cè)量相電流主要有兩種方法。一種是采用電阻與差分放大器測(cè)量的方式,放大器如LT1999或AD8418A;另一種方式是采用電流傳感器進(jìn)行測(cè)量,電流傳感器使用霍爾效應(yīng)或其他磁效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電流的測(cè)量,如ASC711,CSNE151[10]。放大器測(cè)量的成本成本相對(duì)較低,而采用電流傳感器的方式,可以在較高的電壓環(huán)境下進(jìn)行測(cè)量。

4.3 編碼器采樣電路

目前市面上的ABN編碼器通常都是差分信號(hào)輸入的編碼器,即輸出信號(hào)為A+,A-,B+,B-,Z+,Z-,其中A信號(hào)與B信號(hào)為脈沖輸出信號(hào),兩個(gè)信號(hào)相差90°的相位差,根據(jù)A信號(hào)超前于B信號(hào)還是滯后于B信號(hào)判斷旋轉(zhuǎn)方向,Z信號(hào)為0位信號(hào),當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈后輸出一個(gè)脈沖,采用差分信號(hào)的方式具有良好的抗干擾性,能夠傳輸較遠(yuǎn)距離[11],在ABZ三相信號(hào)進(jìn)入硬件FOC需要通過(guò)將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào),例如使用AD8130或ISL32173。

編碼器的參考工作電壓通常為5 V,而硬件FOC工作在3.3 V電壓下。需要對(duì)硬件FOC輸入引腳進(jìn)行保護(hù),圖3為編碼器信號(hào)采樣電路。

圖3 編碼器信號(hào)采樣電路

原始信號(hào)通過(guò)分壓電阻,并通過(guò)一個(gè)低通濾波器進(jìn)行濾波,在信號(hào)進(jìn)入硬件FOC中前,使用二極管進(jìn)行過(guò)壓與欠壓保護(hù),低通濾波器的截至頻率為

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4.4 MOSFET驅(qū)動(dòng)電路

三相無(wú)刷直流電機(jī)的MOSFET驅(qū)動(dòng)電路通常采用三個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn),每個(gè)半橋電路連接電機(jī)的一個(gè)相線,該電路可靠性高、外圍元件少,驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)。圖4為一相的半橋驅(qū)動(dòng)電路,為確保運(yùn)行可靠,在靠近電源VM處放置濾波電容,以防止超調(diào)與振鈴,在MOSFET柵極增加了一個(gè)電阻Rg,確保驅(qū)動(dòng)信號(hào)的干凈與可靠,在PCB的布局上,調(diào)整橋的布局變得緊湊,以獲得最小的環(huán)路電感。

圖4 半橋驅(qū)動(dòng)電路

4.5 實(shí)際電路

TMC4671的高度集成化,配合其他集成化芯片,能夠做到尺寸足夠小的伺服驅(qū)動(dòng)控制電路板,采用集成芯片所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)控制電路板,在印刷電路板(PCB)兩面分布元器件,圖5為所設(shè)計(jì)的電路板與橡皮擦的尺寸比較圖。

圖5 實(shí)際電路板

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

使用所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用于杰美康的42JSF630AS—1000型號(hào)直流無(wú)刷伺服電機(jī),設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)矩為0.5N×M,為驗(yàn)證其控制效果,在電機(jī)正常運(yùn)行一段時(shí)間后施加一個(gè)外部干擾,圖6為電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的實(shí)際轉(zhuǎn)矩及速度的變化波形。

圖6 實(shí)際轉(zhuǎn)矩及速度波形

由圖6可以看出：電機(jī)在正常運(yùn)行過(guò)程中轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小,運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn),在施加外部干擾后能夠迅速進(jìn)行調(diào)整,回到設(shè)定目標(biāo)值附近。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了矢量控制的基本原理及相關(guān)參數(shù),采用硬件FOC芯片TMC4671將該控制方法應(yīng)用于無(wú)刷直流電機(jī),設(shè)計(jì)了一種驅(qū)動(dòng)控制器,以硬件的方式實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法,較軟件實(shí)現(xiàn)的方式運(yùn)算速度更快、更可靠、更穩(wěn)定,更重要的是,采用該方式容易實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的嵌入式發(fā)展,值得借鑒與推廣使用。