海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院 嚴(yán)思念 趙鏡紅 熊義勇 周楊威

本文設(shè)計(jì)了一款用于教學(xué)的速度、位置、轉(zhuǎn)矩三閉環(huán)可切換矢量控制器“掌上FOC”及其配套軟件。該控制器尺寸僅7.7cm×5.6cm，可使用8～24V安全電壓供電，包含控制、驅(qū)動(dòng)、反饋采樣、上位機(jī)通訊等全套功能，配合上位機(jī)界面可以觀測(cè)各物理量并實(shí)現(xiàn)在線調(diào)節(jié)參數(shù)。該控制器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)有助于激發(fā)學(xué)生對(duì)電機(jī)控制和嵌入式技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣。

隨著現(xiàn)代交流電機(jī)控制技術(shù)、微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和大規(guī)模集成電路等飛速發(fā)展，交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速、控制技術(shù)得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展。當(dāng)前，交流電動(dòng)機(jī)憑借其高效率、高可靠性及高可控性能已經(jīng)遍布工業(yè)、醫(yī)療、航空航天等各個(gè)領(lǐng)域。而當(dāng)交流電機(jī)運(yùn)行于調(diào)速性能較高或低速大轉(zhuǎn)矩需求的場(chǎng)合，則通常采用基于逆變器的磁場(chǎng)定向控制（FOC）方法[1]。

高等院校電機(jī)控制的課程安排自然需要涵蓋FOC部分的內(nèi)容。然而現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù)具有多學(xué)科交叉、理論較抽象等特點(diǎn)，因而當(dāng)前的教學(xué)現(xiàn)狀普通存在以下問題[2]：（1）不夠重視實(shí)踐教具設(shè)計(jì)；（2）學(xué)生實(shí)操機(jī)會(huì)少；（3）教學(xué)方法比較單一。同時(shí)，傳統(tǒng)電機(jī)控制試驗(yàn)平臺(tái)體積龐大、高壓危險(xiǎn)、學(xué)生難以自己動(dòng)手搭建，降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性[3]。隨著教學(xué)模式的改變，實(shí)踐教學(xué)進(jìn)入課堂，不僅豐富了課堂內(nèi)容，對(duì)培養(yǎng)和提高學(xué)生的社會(huì)崗位能力也具有重要意義[4]。

鑒于此，本文基于STM32F103C8T6微控制單元（MCU）設(shè)計(jì)電機(jī)三閉環(huán)“掌上FOC”控制器，尺寸僅7.7cm×5.6cm，可一手握持，采用LabWindows/CVI設(shè)計(jì)上位機(jī)界面實(shí)現(xiàn)波形上傳顯示和在線調(diào)參、控制。其供電為8～24V安全電壓，學(xué)生可以放心實(shí)操。硬件設(shè)計(jì)軟件采用國(guó)產(chǎn)的立創(chuàng)EDA，操作簡(jiǎn)單、方便工程共享，學(xué)生可自行動(dòng)手制作、修改打樣，有效加深學(xué)生對(duì)于電機(jī)矢量控制和嵌入式技術(shù)的理解。

1 “掌上FOC”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

海軍工程大學(xué)電機(jī)學(xué)課程教師團(tuán)隊(duì)開發(fā)了適用于低壓永磁電機(jī)、異步電機(jī)及無刷直流電機(jī)的FOC控制裝置——“掌上FOC”。首先，以感應(yīng)電機(jī)為例明確FOC的控制拓?fù)?，如圖1所示。

根據(jù)感應(yīng)電機(jī)FOC控制拓?fù)?，可得出：該控制裝置的硬件需包括控制器最小系統(tǒng)、控制信號(hào)的隔離驅(qū)動(dòng)、橋式逆變電路、電流及轉(zhuǎn)速的采樣反饋，此外還需要供電及通訊接口；而控制器軟件部分涉及到的資源有定時(shí)器（PWM）、ADC采樣、通用輸入輸出接口（GPIO）、直接訪問存儲(chǔ)器（DMA）、串口及I2C等通訊。因此給出最終設(shè)計(jì)得到的“掌上FOC”如圖2所示。

2 “掌上FOC”硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 MCU電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選擇學(xué)生容易學(xué)習(xí)掌握的主流MCU，并要求拓展出易于操作的按鍵接口、指示燈、上位機(jī)通訊接口，方便學(xué)生觀察、實(shí)驗(yàn)和動(dòng)手編程操作。

以此為指導(dǎo)設(shè)計(jì)STM32F103C8T6為核心的MCU電路。其部分原理圖如圖3所示，包括了晶振電路、復(fù)位電路、SWD在線調(diào)試接口、按鍵及指示燈電路，留有兩路電流采樣的ADC通道和一路串口通訊。此外，擴(kuò)展出一路I2C通訊和冗余的ADC引腳，用于兼容模擬輸出和I2C通訊輸出的位置傳感器。

2.2 驅(qū)動(dòng)及采樣電路設(shè)計(jì)

學(xué)生可從本部分電路設(shè)計(jì)中習(xí)得電機(jī)驅(qū)動(dòng)和采樣的基礎(chǔ)電路拓?fù)?，并確保在實(shí)驗(yàn)中不會(huì)存在安全隱患。因而本部分電路應(yīng)該具備結(jié)構(gòu)清晰簡(jiǎn)單、反饋可靠、保護(hù)齊備的特點(diǎn)。

此處選用的L6234D三相全橋MOS集成芯片，其最大工作電壓在8～58V，持續(xù)工作電流高達(dá)2A、最大開關(guān)頻率高達(dá)50kHz，可以滿足各種桌面級(jí)低壓電機(jī)（如無刷云臺(tái)電機(jī)）驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)需求。此外，其自帶硬件死區(qū)生成、過流保護(hù)、過溫保護(hù)、過壓（低壓）保護(hù)、三相PWM獨(dú)立使能，可以達(dá)到安全性要求。

為了使學(xué)生直觀的了解電流采樣原理，此處選用相電流串電阻采樣的方式，因而需要經(jīng)過的INA240系列芯片進(jìn)行共模電壓抑制、尖峰保護(hù)和調(diào)理放大之后才能進(jìn)入單片機(jī)的采樣引腳。該部分電路原理圖如圖4所示。

2.3 電源及通訊電路設(shè)計(jì)

考慮學(xué)生在各種條件下進(jìn)行試驗(yàn)的需求，本設(shè)計(jì)的供電系統(tǒng)需要滿足功率側(cè)-控制器單獨(dú)供電、統(tǒng)一供電的兼容性需求。因而加入一組開關(guān)和隔離型DC-DC變換器滿足不同實(shí)驗(yàn)條件下的切換控制。此處選用金升陽公司的F2405-1WR2，可以在21.6～26.4V輸入電壓下為控制側(cè)供5V直流電，后經(jīng)AMS1117-3.3芯片降壓為3.3V輸入單片機(jī)及其外圍電路。

同時(shí)，為了學(xué)生能夠方便地在上位機(jī)觀察電流、轉(zhuǎn)速、角度等波形，此處設(shè)計(jì)了基于CH340的串口轉(zhuǎn)USB電路，使用TYPE-C接口連接計(jì)算機(jī)。該部分電路原理圖如圖5所示。

2.4 PCB設(shè)計(jì)

最終設(shè)計(jì)完成的PCB和CAD設(shè)計(jì)如圖6所示。電路板的上半部分為控制電路、下半部分為驅(qū)動(dòng)電路，采用四層板設(shè)計(jì)。強(qiáng)弱電的地層僅通過R11及過孔單點(diǎn)連接，減少耦合干擾。采樣電阻R2、R3使用2512封裝，既滿足了功率要求，也方便學(xué)生測(cè)量電壓及更換不同阻值進(jìn)行試驗(yàn)。

3 “掌上FOC”軟件設(shè)計(jì)

3.1 矢量控制代碼設(shè)計(jì)

學(xué)生可以基于本設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)電機(jī)控制的代碼編寫，STM32 F103C8T6可使用KEIL5進(jìn)行ST官方庫函數(shù)代碼編寫，其具有語法直觀、易于學(xué)習(xí)的特點(diǎn)。首先在主函數(shù)中進(jìn)行各變量初始化和矢量控制結(jié)構(gòu)體的賦值。隨后的狀態(tài)機(jī)、采樣、控制計(jì)算全部在高級(jí)定時(shí)器的中斷中執(zhí)行。基于C語言的三閉環(huán)、可切換矢量控制程序拓?fù)淙鐖D7所示。

3.2 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

為了學(xué)生直觀的觀察電機(jī)矢量解耦的效果和PID調(diào)節(jié)參數(shù)的效果，基于NI公司的LabWindows/CVI軟件設(shè)計(jì)了上位機(jī)界面。上位機(jī)包含了自動(dòng)搜索串口、即時(shí)調(diào)整圖形窗口橫縱軸坐標(biāo)等易用的功能。其界面和波形顯示如圖8所示。

4 結(jié)論

本文介紹了一款用于教學(xué)目的、結(jié)構(gòu)小巧、功能齊全、安全性較高的FOC控制器及配套軟件。該控制器能夠在便攜、安全的前提下，完成矢量控制的完整功能展示并清晰的顯示其控制效果；同時(shí)，其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)也易于學(xué)生進(jìn)行復(fù)刻、改動(dòng)等進(jìn)階學(xué)習(xí)。該教學(xué)用三閉環(huán)電機(jī)控制器“掌上FOC”的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情和加深知識(shí)理解有促進(jìn)作用。