瑞薩電子BLDC電機(jī)初次使用教程

目前為止，我們已分2次向大家介紹了BLDC電機(jī)的特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)。BLDC電機(jī)既小巧又高效，最適合用于需要省空間、省能量的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。一直以來(lái)大家都覺(jué)得初次控制BLDC電機(jī)時(shí)難度太高，但現(xiàn)在只要采用瑞薩電子的解決方案就可以大幅度降低難度。瑞薩電子電機(jī)控制評(píng)估套件“24V Motor Control Evaluation System for RX23T（以下稱為“電機(jī)RSSK”）”中有一套逆變板和各種控制軟件、開(kāi)發(fā)支持工具，讓我們使用電機(jī)RSSK來(lái)實(shí)際進(jìn)行一次電機(jī)控制吧。

電機(jī)RSSK是一種怎樣的套件呢

如第2章節(jié)所述，控制BLDC電機(jī)需要用到輸出逆變電路和PWM的電機(jī)控制用微控制器。電機(jī)RSSK是開(kāi)封后能立即進(jìn)行電機(jī)控制的套件，包含了電機(jī)控制所需的一整套器材。而且，與電機(jī)RSSK相對(duì)應(yīng)的控制軟件和開(kāi)發(fā)支持工具可以從瑞薩電子的網(wǎng)站上下載，因此誰(shuí)都能輕易地嘗試各種電機(jī)控制方式。

同包裝的電機(jī)控制用微控制器雖然是RX23T型號(hào)的，但由于安裝了RX23T的基板“CPU卡”可以從逆變板上拆下來(lái)，因此只要使用安裝了別的電機(jī)控制用微控制器的CPU卡（單賣品），就可以使用各種微控制器進(jìn)行電機(jī)控制。說(shuō)不定還可以幫助您選擇用哪種電機(jī)控制用微控制器。

與電機(jī)RSSK對(duì)應(yīng)的控制軟件種類繁多，如：矢量控制，120度通電控制等。這次我們來(lái)嘗試一下通過(guò)使用了霍爾傳感器的120度通電控制和無(wú)傳感器矢量控制進(jìn)行電機(jī)控制。首先來(lái)試試120度通電控制。

圖1：電機(jī)RSSK (Renesas Solution Starter Kit)套件

電機(jī)控制的準(zhǔn)備工作Analyzer功能是指？

進(jìn)行使用霍爾傳感器的120度通電控制前，需要將從瑞薩電子網(wǎng)站上下載下來(lái)的“霍爾120度通電控制軟件”寫(xiě)入電機(jī)控制用微控制器中。還要同時(shí)使用電機(jī)控制的開(kāi)發(fā)支持工具Renesas Motor Workbench。上述工具可從以下各鏈接中下載

圖2：Renesas Motor Workbench的初始畫(huà)面

Renesas Motor Workbench有Analyzer功能和Tuner功能。首先來(lái)試試Analyzer功能吧。

Analyzer功能的最大特點(diǎn)是能在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)不停止CPU，持續(xù)讀寫(xiě)微控制器內(nèi)部的變量，并用波形顯示。若停止CPU，則可能由于PWM的輸出狀況而導(dǎo)致電流過(guò)大，損壞逆變板。因此，它在電機(jī)控制領(lǐng)域中，不像其他應(yīng)用程序一樣在程序中設(shè)置暫停，導(dǎo)致無(wú)法確認(rèn)微控制器內(nèi)部的變量。所以這是一項(xiàng)非常有效的功能。另外，由于電機(jī)控制，尤其是矢量控制中，使用了被稱為“d軸”、“q軸”的電流值等在微控制器內(nèi)部演算的電流值，因此在一般的示波器中無(wú)法確認(rèn)數(shù)值。

能夠直接確認(rèn)其電流值也可以說(shuō)是它的一大特點(diǎn)吧。此外，由于能夠只提取出達(dá)到設(shè)置電壓的波形以及縮放，作為電機(jī)控制用的開(kāi)發(fā)支持工具來(lái)說(shuō)非常有效。比起使用DA轉(zhuǎn)換器或外部總線輸出數(shù)據(jù)或保存在存儲(chǔ)器之后進(jìn)行分析等要高效得多。另外，也可作為通過(guò)利用變量來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)/停止等的用戶界面。由于Renesas Motor Workbench為用戶界面，所以，瑞薩電子在網(wǎng)上公開(kāi)的電機(jī)控制程序是利用此程序，實(shí)際上是通過(guò)120度通電控制來(lái)進(jìn)行電機(jī)控制的。

體驗(yàn)120度通電控制

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那么我們嘗試用120度通電控制，從Analyzer進(jìn)行操作，讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。操作方法請(qǐng)參照使用說(shuō)明書(shū)或軟件的應(yīng)用指南。

圖3：120度通電控制的電流波形
（粉色/紅色/淡藍(lán)色：U相/V相/W相的電流波形）與切換通電類型的信號(hào)（藍(lán)色）

觀察各相的電流波形。用Analyzer確認(rèn)后，已確認(rèn)如圖3所示的波形。中央用不同顏色表示的波形的詳細(xì)數(shù)據(jù)如下所示。雖然由于逆變電路的切換，存在無(wú)法取得電流值的時(shí)刻，但也形成了具有特點(diǎn)的電流波形。

進(jìn)行120度通電控制后，會(huì)形成矩形波一般的電流波形。另外可知，隨著藍(lán)色信號(hào)的變化，通電類型會(huì)發(fā)生切換?？戳穗姍C(jī)RSSK附帶的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的樣子之后，并沒(méi)有感覺(jué)到第2次介紹中說(shuō)明的“不順暢感”。也就可以理解它為什么被用于實(shí)際的應(yīng)用中。

矢量控制的準(zhǔn)備工作Tuner機(jī)能是指？

接下來(lái)，進(jìn)行無(wú)傳感器矢量控制。同剛才的120度通電控制一樣，需要將程序?qū)懭胙b載了RX23T的CPU卡內(nèi)。無(wú)傳感器矢量控制的程序公開(kāi)了2種類型，一種是，一旦寫(xiě)入馬上能夠進(jìn)行電機(jī)控制的網(wǎng)絡(luò)公開(kāi)程序。另一種是在下載了Renesas Motor Workbench的文件夾中，帶有Tuner功能的無(wú)傳感器矢量控制程序。Tuner功能是指能夠自動(dòng)調(diào)整矢量控制中所需的電機(jī)參數(shù)及控制參數(shù)的功能。本來(lái)，進(jìn)行矢量控制需要正確設(shè)置非常多的參數(shù)，但通過(guò)利用此Tuner功能，可以將麻煩的參數(shù)調(diào)整簡(jiǎn)單化。由于網(wǎng)上公開(kāi)的程序是已經(jīng)調(diào)整過(guò)與所附帶的電機(jī)相配的參數(shù)的程序，所以不需要自動(dòng)調(diào)整。

在此，盡管使用網(wǎng)上已公開(kāi)的無(wú)傳感器矢量控制程序也不錯(cuò)，但機(jī)會(huì)難得，所以我們還是使用Renesas Motor Workbench的Tuner功能進(jìn)行矢量控制吧。程序在剛才下載的Renesas Motor Workbench的“mot_rmt”文件夾中。

圖4：用帶有Tuner功能的矢量控制程序連接Renesas Motor Workbench的畫(huà)面
若利用Renesas Motor Workbench的下載文件夾當(dāng)中的程序進(jìn)行工具連接，則可以使用Analyzer功能與Tuner功能這2種功能。

自動(dòng)調(diào)整電機(jī)參數(shù)

矢量控制需要設(shè)置電機(jī)參數(shù)及控制參數(shù)。雖然因程序不同而有所不同，但此參數(shù)有20個(gè)左右，分別進(jìn)行調(diào)整的話非常耗費(fèi)工時(shí)。Tuner功能可大幅度縮短此工時(shí)。

只要連接想讓其自動(dòng)調(diào)整的電機(jī)，輸入電機(jī)的“額定電流”“額定功率”“磁極對(duì)數(shù)”，Tuner功能就可以自動(dòng)地測(cè)量、計(jì)算，并輸出參數(shù)。通過(guò)將輸出參數(shù)編入控制軟件中，就可以輕松實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

圖5：Tuner輸出的參數(shù)的表示圖例
將數(shù)據(jù)輸入Tuner后，會(huì)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。算出如上所示的控制參數(shù)。

按照使用說(shuō)明書(shū)，嘗試使用Tuner功能。進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整后，30秒左右就能完成數(shù)據(jù)調(diào)整。根據(jù)Tuner功能，可以將調(diào)整后的結(jié)果輸出為可用于瑞薩電子的矢量控制程序的定義文件，或輸出為如圖5所示PDF文件的報(bào)告。不需要多次調(diào)整同一電機(jī)，還可以簡(jiǎn)單地積累調(diào)整結(jié)果，非常便利。

體驗(yàn)矢量控制

利用自動(dòng)調(diào)整后的參數(shù)，通過(guò)無(wú)傳感器矢量控制來(lái)驅(qū)動(dòng)BLDC電機(jī)。確認(rèn)直接連接扭矩的電流值，該值可以作為矢量控制的特征的例子。正如第2章節(jié)的最后說(shuō)明，在矢量控制中，進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將3相的交流值當(dāng)作2相的直流值處理。該2相是扭矩的電流（q軸電流）與產(chǎn)生磁通量的電流（d軸電流）。這些動(dòng)作可透過(guò)螢?zāi)淮_認(rèn)（圖6）。

圖6：矢量控制的電流波形
（紅色：q軸電流、藍(lán)色：d軸電流、黃色/橙色/綠色：U相/V相/W相電流）
首先試著讓電機(jī)以1000rpm進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。該情況下的波形如圖6所示。
與扭矩相關(guān)的q軸電流（紅色線）流過(guò)50mA左右。

圖7：施加負(fù)荷時(shí)的電流波形

接下來(lái)試著往電機(jī)的軸上施加少量負(fù)荷。于是，如圖7所示，可知d軸電流值保持不變，僅與扭矩相關(guān)的q軸電流增加了100mA左右。這是因?yàn)槭歉鶕?jù)負(fù)荷來(lái)增加扭矩的，不產(chǎn)生浪費(fèi)。結(jié)果就是，用3相來(lái)看時(shí)，可見(jiàn)各相電流都有所增加。在矢量控制中，盡管改變q軸電流值，增加或減少了與負(fù)荷相對(duì)應(yīng)的扭矩，但是通過(guò)調(diào)整3相電流值來(lái)進(jìn)行此操作是非常困難的。另外，與120度通電控制的電流波形相比，3相的電流值為很漂亮的正弦波。雖然無(wú)法用肉眼觀察到明顯的變化，但可以感覺(jué)到轉(zhuǎn)動(dòng)變得稍微平穩(wěn)了一些。

體驗(yàn)BLDC電機(jī)的控制

這次，我們使用瑞薩電子的電機(jī)解決方案套件“電機(jī)RSSK”，體驗(yàn)了BLDC電機(jī)的120度通電控制和矢量控制。因?yàn)槭褂谜f(shuō)明書(shū)和應(yīng)用指南中都有詳細(xì)的記載，所以可以很順利地嘗試各種控制方式。由于已準(zhǔn)備好各控制方式的程序，所以能通過(guò)比較，幫助大家更好地理解控制方式。這是為有意購(gòu)買BLDC電機(jī)的客戶推薦的解決方案套件。

我們?cè)凇半姍C(jī)控制評(píng)估套件導(dǎo)入研究和啟動(dòng)網(wǎng)站”上，通過(guò)視頻等，對(duì)導(dǎo)入Renesas Motor Workbench的順序和電機(jī)RSSK進(jìn)行了詳細(xì)解說(shuō)。歡迎使用。

結(jié)論

目前為止，我們已分3次解說(shuō)了BLDC電機(jī)。BLDC電機(jī)和DC電機(jī)不同，雖然僅靠接通電源是不會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)的，但它小巧且高效，所以有望在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，今后應(yīng)該也會(huì)逐漸普及吧。其中，無(wú)傳感器的矢量控制尤其備受關(guān)注，因?yàn)樗鼰o(wú)需使用傳感器就可以進(jìn)行特別高效的控制。雖然無(wú)傳感器矢量控制十分復(fù)雜，但若使用電機(jī)RSSK，就可以在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行實(shí)機(jī)確認(rèn)。請(qǐng)務(wù)必考慮采用瑞薩電子的電機(jī)解決方案來(lái)使用小巧、高效，且具有良好可控性的BLDC電機(jī)。