多BLDC電機磁場定向控制策略及解決方案

2020年3月27日，由電子發(fā)燒友網(wǎng)主辦的2020年第三屆無刷直流電機控制技術研討會在線上成功舉行。國民技術電機方案開發(fā)工程師舒曉華分享了多BLDC電機磁場定向控制策略及解決方案。
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舒曉華從磁場定向控制（FOC）理論基礎和多FOC應用軟件設計要求的角度，分享了國民技術多FOC電機應用中的MCU選型重點以及國民技術N32G455系列高效電機主控解決方案，并總結了基于N32G455系列電機主控電流采樣重構和PWM重構的優(yōu)勢特點。

FOC（磁場定向控制）理論基礎

FOC理論框架如下，其中坐標變換、電角度計算（無感，有感）、PI(D)控制是核心理論，電流采用雖然不是核心理論，但是涉及到具體的項目、開發(fā)板、電機時相關度最大，因此非常重要。

其中，坐標變換包括Clark變換實現(xiàn)UVW→αβ變換、Park變換實現(xiàn)αβ→dq變換、Park逆變換實現(xiàn)dq→αβ變換、SVPWM為Clark逆變換實現(xiàn)αβ→UVW變換。
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PI(D)本質(zhì)是實現(xiàn)誤差控制誤差，在FOC電機控制中，電流環(huán)、速度環(huán)控制一般使用PI進行控制。
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無感位置估算主要有SMO和MRAS兩種方式。其中SMO的核心是對電機模塊進行變換，得到電流觀測器模型，根據(jù)電流模型的值和反饋的電流值進行差值判斷，不斷調(diào)整參數(shù)使誤差最小。
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MRAS通過自適應機構來修改可調(diào)模型中的參數(shù)（增益、速度等），使可調(diào)模型中的狀態(tài)矢量趨近于參考模型中的狀態(tài)矢量，也就是使共有矢量的差值趨近于零，最終達到速度觀測的目的。國民技術電機套件提供的SMO反電勢估算具有數(shù)字化相位補償，選用波波夫穩(wěn)定性理論（MRAS）的設計方法，具有調(diào)試參數(shù)少、低速觀測性能好、直接閉環(huán)起動等優(yōu)點。

多FOC應用中的軟件設計策略

根據(jù)FOC的理論基礎，對多FOC應用中的軟件設計策略首先是框架的軟件抽象，要遵循FOC引擎的設計原則：獨立地提供方法庫，統(tǒng)一的屬性資源分配，面向?qū)ο蟮脑O計方法。
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舒曉華介紹，FOC軟件設計模塊的重難點在于兩方面：一是核心依賴是轉(zhuǎn)子的電角度計算，包括：無感SMO、無感MRAS、有感HALL。二是FOC的電流重構方法，包括雙電阻電流采樣和單電阻電流采樣，后者需重構PWM輸出波形。為了支持多FOC，轉(zhuǎn)子電角度計算方法需統(tǒng)一的接口如下：
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初始化函數(shù)void xxx_Init(Struct *Pst);
角度計算函數(shù)uint16_t xxx_CalcAngle(Struct *Pst);
速度計算函數(shù)uint16_t xxx_GetSpeed(Struct *Pst);
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MCU作為底層支持，對于多FOC電機應用中的MCU選型，舒曉華給出如下參考，主要包括ADC數(shù)量、PWM數(shù)量、OPAMP數(shù)量、MCU主頻等。

多FOC的解決方案

通過采用先進的無位置傳感器FOC控制策略，國民技術在一顆N32G455芯片上實現(xiàn)了壓縮機FOC調(diào)速功能、風機轉(zhuǎn)矩控制、電子膨脹閥控制、NTC檢測、串口監(jiān)控以及各種安全保護措施。
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舒曉華介紹了N32G455系列的多FOC電機控制解決方案，通過內(nèi)置最多7個快速比較器與PWM模塊聯(lián)動，快速響應剎車事件，擁有高達4個獨立的5Msps的12bit ADC，支持PWM定時器連動自動觸發(fā)采樣。最重要的是配置高達144Hz的高性能32位ARM Cortex-M4F處理器，支持硬件乘除運算。

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基于MCU控制的無刷直流電機消除了刷子磨損和弧形機構，該技術使電機具有更高的效率，更高的轉(zhuǎn)矩-慣量比，更高的速度性能，更低的噪聲，更好的熱效率和低EMI特性。從而使電機在更低成本下可以更為高效的穩(wěn)定可靠運行，并從整體上降低了整機成本。
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據(jù)介紹，針對電機控制應用市場，國民技術有針對性地規(guī)劃了系列化的芯片產(chǎn)品和解決方案，覆蓋高、中、低電機市場應用。

如何快速搭建多FOC電機驗證平臺？

為了方便驗證，舒曉華介紹了搭建多FOC電機驗證平臺“五步法”：環(huán)境準備、確認電機參數(shù)、確認開發(fā)板參數(shù)、確認角度計算方法、確認電機運行模式。以基于國民技術雙FOC電機控制評估套件搭建多FOC電機驗證平臺為例：單FOC執(zhí)行時間低至10.1us，電機帶載正反轉(zhuǎn)切換成功跨越零點電流波形、無角度丟失。
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