在國(guó)防、工業(yè)和機(jī)器人行業(yè)中，許多應(yīng)用都需要使用嵌入式系統(tǒng)來(lái)控制直流無(wú)刷 (BLDC) 電機(jī)。帶動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)看似微不足道，可是一旦涉及到電機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、電氣特性和電磁特性以及電流反饋測(cè)量，這就成了相當(dāng)復(fù)雜的問(wèn)題，并且可能會(huì)拖慢項(xiàng)目進(jìn)度。

這就要求開發(fā)人員選擇適當(dāng)?shù)挠布?lái)運(yùn)行驅(qū)動(dòng)電機(jī)的算法，從而以最少的元器件數(shù)量，在應(yīng)用的整個(gè)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)都可以平穩(wěn)順暢地控制電機(jī)。

我們需要的正是一條捷徑，即某種一體化軟硬件組合包，可以顯著縮短開發(fā)時(shí)間，使開發(fā)人員專注于最終應(yīng)用，而無(wú)需深入了解電機(jī)控制的精妙之處。

本文將介紹一個(gè)Texas Instruments推出的類似組合包，結(jié)合該公司的微控制器和開發(fā)套件硬件與 InstaSPIN? 磁場(chǎng)定向電機(jī)控制軟件和工具。此外，還將說(shuō)明經(jīng)驗(yàn)尚淺的開發(fā)人員如何使用該組合，在一小時(shí)內(nèi)輕松確定電機(jī)參數(shù)并啟動(dòng)復(fù)雜的 BLDC 電機(jī)。

什么是 InstaSPIN-FOC，當(dāng)真易于使用嗎？

Texas Instruments 的 InstaSPIN 解決方案獨(dú)特之處在于，即使開發(fā)人員對(duì)此毫無(wú)經(jīng)驗(yàn)，也可以在一小時(shí)內(nèi)啟動(dòng)電機(jī)。事實(shí)上，開發(fā)人員只要使用過(guò)該解決方案，那么下一次只需不到十分鐘即可啟動(dòng)并運(yùn)行電機(jī)。此外，該套件使用磁場(chǎng)定向控制 (FOC) 取代編碼器，因此開發(fā)人員只需連接電機(jī)電源和接地以及電機(jī)的各相，那么便在電氣上準(zhǔn)備就緒，而無(wú)需編碼器或其他復(fù)雜的電子設(shè)備。

當(dāng)然，除 FOC 外，反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零定時(shí)電路等其他控制機(jī)制也不使用傳感器或編碼器。不過(guò)，InstaSPIN 可以監(jiān)控電機(jī)的磁通量，從而確定電機(jī)換向的時(shí)間。開發(fā)人員可以通過(guò)繪圖窗口監(jiān)控磁通信號(hào)，并設(shè)置“磁通閾值”滑塊以指定電機(jī)換向發(fā)生的磁通水平。通過(guò)監(jiān)控所顯示的相電壓和電流波形，可以驗(yàn)證最佳換向。

InstaSPIN-FOC 解決方案共包含四個(gè)主要部分：

微控制器板

電機(jī)驅(qū)動(dòng)板

InstaSPIN-FOC 圖形用戶界面 (GUI)

BLDC 電機(jī)

智能微控制器板用于運(yùn)行 FOC 算法，指定電機(jī)驅(qū)動(dòng)器何時(shí)導(dǎo)通和斷開不同的電機(jī)相位，并處理與 GUI 的通信。開發(fā)人員可以通過(guò) GUI 查看磁通水平和其他參數(shù)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器提供驅(qū)動(dòng)實(shí)際電機(jī)的接口，所含的電路功能包括：保護(hù)微控制器免受高壓沖擊、測(cè)量以及檢測(cè)電機(jī)故障。

InstaSPIN-FOC GUI 是通用 GUI，可在 Texas Instruments 的在線開發(fā)庫(kù)中找到。開發(fā)人員可以直接通過(guò) Web 瀏覽器運(yùn)行 GUI，也可以將可執(zhí)行版本下載至計(jì)算機(jī)本地。

最后一項(xiàng)則是三相永磁直流無(wú)刷電機(jī)。

我們將詳細(xì)研究上述各個(gè)部分，并探討一個(gè)啟動(dòng)和運(yùn)行 BLDC 電機(jī)的可行硬件解決方案。

BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和微控制器

開發(fā)人員可以選擇幾種不同的解決方案來(lái)驅(qū)動(dòng) BLDC 電機(jī)，因此無(wú)需費(fèi)心四處查找：TI 的InstaSPIN-FOC和MotorControlSDK 與該公司的LAUNCHXL-F280049CTMS320F280049C LaunchPad（圖 1）和BOOSTXL-DRV8323RSLaunchPad 補(bǔ)充包配合使用。TMS320F28049C LaunchPad 是一款低成本開發(fā)板，包括板載 XDS110 調(diào)試器、擴(kuò)展排針和F280049CPMSTMS320F280049C Piccolo? 微控制器。

圖 1：TMS320F280049C LaunchPad 包括隔離式 USB XDS110 調(diào)試探頭、F280049C Piccolo 微控制器，以及可為兩個(gè)補(bǔ)充包供電的電子元件。補(bǔ)充包可用于特定應(yīng)用的硬件。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）

TMS320F280049C 微控制器使用 C2000 微控制器內(nèi)核，包括 256 KB 的閃存和 100 KB 的 RAM，工作頻率為 100 MHz。TMS320F280049C 的 ROM 中內(nèi)置了 TI 的 FOC 電機(jī)控制算法，因而開發(fā)人員無(wú)需浪費(fèi)寶貴的代碼空間。

TMS320F280049C LaunchPad 并非開發(fā)人員使用 TMS320F280049C 微控制器的唯一方式。此外，還可以使用 TMS320F280049C 微控制器的TMDSCNCD280049C控制卡（圖 2）。該控制卡可用于原型開發(fā)階段，也適用于開發(fā)人員希望靈活更換應(yīng)用所使用的微控制器或增強(qiáng)可擴(kuò)展性的情況?？刂瓶刹迦雺]站使用，使開發(fā)人員可以訪問(wèn)微控制器 I/O。

圖 2：TMS320F280049C 控制卡采用小型模塊封裝，提供電機(jī)控制功能，可與塢站配合使用以訪問(wèn)微控制器的 I/O。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）

DRV8323RS LaunchPad 補(bǔ)充包是可安插在 TMS320F280049C LaunchPad 上方的擴(kuò)展板，以添加驅(qū)動(dòng) BLDC 電機(jī)所需的其他硬件（圖 3）。

圖 3：DRV8323RS LaunchPad 補(bǔ)充包包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器、FET 和用于驅(qū)動(dòng) BLDC 電機(jī)的其他電路。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）

DRV8232RS 擴(kuò)展板可安插在擴(kuò)展區(qū)域位置 1 或位置 2，不過(guò)位置 1 正是 MotorControl SDK 示例連接的位置。開發(fā)人員可以使用三端子連接器將 BLDC 電機(jī)接至電路板，并為電路板提供外部電源以驅(qū)動(dòng)電機(jī)。DRV8232RS LaunchPad 補(bǔ)充包也可為 TMS320F280049C 開發(fā)板供電。該擴(kuò)展板的 LED 可顯示通電狀態(tài)和故障檢測(cè)。

DRV8232RS LaunchPad 補(bǔ)充包的核心是DRV8230三相智能柵極驅(qū)動(dòng)器。該柵極驅(qū)動(dòng)器可提供低端電流檢測(cè)，并能直接驅(qū)動(dòng)額定工作電壓高達(dá) 60 V 的 MOSFET。

借助 TMS320F280049C LaunchPad 和 DRV8232RS LaunchPad 補(bǔ)充包，開發(fā)人員可以驅(qū)動(dòng)各種 BLDC 電機(jī)。Trinamic推出的QBL4208-41-04-006是一款相當(dāng)合適的入門級(jí)電機(jī)（圖 4）。

Trinamic 電機(jī)使用 24 V 電源供電，轉(zhuǎn)速高達(dá) 4000 RPM，扭矩達(dá) 62.5 mNm。

圖 4：Trinamic 的 QBL4208-41-04-006 4000 RPM BLDC 電機(jī)使用 24 V 電源供電，扭矩達(dá) 62.5 mNm。（圖片來(lái)源：Trinamic Motion Control GmbH）

上文已經(jīng)列出開發(fā)人員著手 BLDC 電機(jī)控制所需的最精簡(jiǎn)物料，下一步則要考慮如何使用 InstaSPIN-FOC GUI 識(shí)別電機(jī)參數(shù)。

識(shí)別 BLDC 電機(jī)參數(shù)并運(yùn)行電機(jī)

使用 InstaSPIN-FOC GUI 驅(qū)動(dòng)電機(jī)前，系統(tǒng)需要先了解電機(jī)特性，以便對(duì)速度或扭矩進(jìn)行 FOC 控制。為此，算法需要收集以下特性信息：

電阻值

電感

電機(jī)磁通

磁化電流

InstaSPIN-FOC GUI 只需數(shù)分鐘就能自動(dòng)識(shí)別這些特性。GUI 可以在瀏覽器中執(zhí)行，并默認(rèn)加載專門與 TMS320F280049C 和 DRV8232 擴(kuò)展板配合使用的 MotorControl SDK 實(shí)驗(yàn)室 5。實(shí)驗(yàn)室 5 專用于向開發(fā)人員演示如何識(shí)別電機(jī)并獲取其參數(shù)。欲了解詳細(xì)信息，可查閱 GUI 快速入門指南和實(shí)驗(yàn)室手冊(cè)。

首先，開發(fā)人員需要通過(guò) TI 開發(fā)人員網(wǎng)站打開 InstaSPIN-FOC GUI。然后，在 GUI 環(huán)境下，可以找到一個(gè)與其他開發(fā) IDE 類似的運(yùn)行按鈕。單擊此按鈕可將電機(jī)識(shí)別碼下載至 LaunchPad 并嘗試執(zhí)行。

一開始可能毫無(wú)反應(yīng)，因?yàn)殚_發(fā)人員必須啟用該軟件，即選中 GUI 中的 "Enable System"（啟用系統(tǒng)）復(fù)選框。此時(shí)，電機(jī)識(shí)別碼仍然無(wú)法運(yùn)行，因?yàn)檫€需要選中 "Run"（運(yùn)行）復(fù)選框。啟用 "Run"（運(yùn)行）后，代碼就開始執(zhí)行識(shí)別電機(jī)的序列，并且進(jìn)行必要的測(cè)量以獲得運(yùn)行電機(jī)所需的參數(shù)。整個(gè)識(shí)別過(guò)程將持續(xù)數(shù)分鐘，在此期間電機(jī)將加速旋轉(zhuǎn)，然后減速旋轉(zhuǎn)，并以慢速運(yùn)行幾分鐘。

這一過(guò)程完成后，開發(fā)人員就可以在 GUI 上看到如圖 5 所示的界面。

圖 5：完成電機(jī)識(shí)別后的 InstaSPIN-FOC GUI 界面。（圖片來(lái)源：Jacob Beningo）

請(qǐng)注意，在圖 5 中，GUI 右上角的多個(gè)參數(shù)已填入數(shù)值。這些是須記錄的電機(jī)參數(shù)，以便稍后在扭矩或速度模式下用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)。此外，您還可以注意到界面左側(cè)的 "Motor Identified"（電機(jī)已識(shí)別）指示燈已由灰色變?yōu)榫G色。此時(shí)，就可以直接通過(guò) GUI 來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

只需更改 GUI 上 "speedRef(Hz)"（轉(zhuǎn)速設(shè)定值）框中的數(shù)值即可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。請(qǐng)注意，通過(guò)這一參考值來(lái)控制電機(jī)加速相當(dāng)快捷。相比之下，減速則需要輸入多個(gè)轉(zhuǎn)速設(shè)定值才能實(shí)現(xiàn)，輸入的轉(zhuǎn)速需逐次遞減。只需取消選中 "Run"（運(yùn)行）復(fù)選框，即可完全停止電機(jī)。

使用 TI 的 InstaSPIN-FOC 控制 BLDC 電機(jī)的技巧與訣竅

開發(fā)人員使用 BLDC 電機(jī)和 TI 的 InstaSPIN-FOC 解決方案時(shí)，可以考慮以下幾個(gè)最佳實(shí)踐：

選擇內(nèi)部閃存內(nèi)置了電機(jī)算法的微控制器，以此可節(jié)省用于電機(jī)算法的代碼空間，并且可以在執(zhí)行時(shí)進(jìn)行性能提升。

使用 F280049C LaunchPad 的位置 1 作為 DRV8323RS LaunchPad 補(bǔ)充包的默認(rèn)位，若使用位置 2 將需要對(duì)軟件進(jìn)行更新。

花時(shí)間瀏覽 TI MotorControl SDK 中提供的所有 13 個(gè)樣例實(shí)驗(yàn)室。這些實(shí)驗(yàn)室涵蓋了從識(shí)別電機(jī)參數(shù)到通過(guò)控制速度和轉(zhuǎn)矩來(lái)控制電機(jī)所需的所有內(nèi)容。

使用樣例實(shí)驗(yàn)室 5 來(lái)識(shí)別電機(jī)參數(shù)。如果使用 MOTOR_TYPE_PM，請(qǐng)確保還需添加以下定義，以便成功編譯實(shí)驗(yàn)室，并使用調(diào)整后的數(shù)值：

define #define USER_MOTOR_INERTIA_Kgm2 (7.06154e-06)

通過(guò) InstaSPIN-FOC 在線 GUI 啟動(dòng) BLDC 實(shí)驗(yàn)。

總結(jié)

驅(qū)動(dòng) BLDC 電機(jī)進(jìn)行扭矩或速度控制可能是個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的問(wèn)題，很有可能會(huì)超出嵌入式軟件工程師的知識(shí)范疇，從而拖慢項(xiàng)目開發(fā)進(jìn)度。如上所述，借助 Texas Instruments 的 InstaSPIN 和 MotorControl SDK 及相關(guān)硬件，即使開發(fā)人員對(duì)控制工程所知甚少，也可輕松快速地啟動(dòng)并運(yùn)行 BLDC 電機(jī)。