2020年3月27日，由電子發(fā)燒友網(wǎng)主辦的2020年第三屆無(wú)刷直流電機(jī)控制技術(shù)研討會(huì)在線上成功舉行。國(guó)民技術(shù)電機(jī)方案開發(fā)工程師舒曉華分享了多BLDC電機(jī)磁場(chǎng)定向控制策略及解決方案。
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舒曉華從磁場(chǎng)定向控制（FOC）理論基礎(chǔ)和多FOC應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)要求的角度，分享了國(guó)民技術(shù)多FOC電機(jī)應(yīng)用中的MCU選型重點(diǎn)以及國(guó)民技術(shù)N32G455系列高效電機(jī)主控解決方案，并總結(jié)了基于N32G455系列電機(jī)主控電流采樣重構(gòu)和PWM重構(gòu)的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)。

FOC（磁場(chǎng)定向控制）理論基礎(chǔ)

FOC理論框架如下，其中坐標(biāo)變換、電角度計(jì)算（無(wú)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(xiàng)目、開發(fā)板、電機(jī)時(shí)相關(guān)度最大，因此非常重要。

其中，坐標(biāo)變換包括Clark變換實(shí)現(xiàn)UVW→αβ變換、Park變換實(shí)現(xiàn)αβ→dq變換、Park逆變換實(shí)現(xiàn)dq→αβ變換、SVPWM為Clark逆變換實(shí)現(xiàn)αβ→UVW變換。
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PI(D)本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)誤差控制誤差，在FOC電機(jī)控制中，電流環(huán)、速度環(huán)控制一般使用PI進(jìn)行控制。
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無(wú)感位置估算主要有SMO和MRAS兩種方式。其中SMO的核心是對(duì)電機(jī)模塊進(jìn)行變換，得到電流觀測(cè)器模型，根據(jù)電流模型的值和反饋的電流值進(jìn)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(guò)自適應(yīng)機(jī)構(gòu)來(lái)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(dá)到速度觀測(cè)的目的。國(guó)民技術(shù)電機(jī)套件提供的SMO反電勢(shì)估算具有數(shù)字化相位補(bǔ)償，選用波波夫穩(wěn)定性理論（MRAS）的設(shè)計(jì)方法，具有調(diào)試參數(shù)少、低速觀測(cè)性能好、直接閉環(huán)起動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。

多FOC應(yīng)用中的軟件設(shè)計(jì)策略

根據(jù)FOC的理論基礎(chǔ)，對(duì)多FOC應(yīng)用中的軟件設(shè)計(jì)策略首先是框架的軟件抽象，要遵循FOC引擎的設(shè)計(jì)原則：獨(dú)立地提供方法庫(kù)，統(tǒng)一的屬性資源分配，面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法。
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舒曉華介紹，FOC軟件設(shè)計(jì)模塊的重難點(diǎn)在于兩方面：一是核心依賴是轉(zhuǎn)子的電角度計(jì)算，包括：無(wú)感SMO、無(wú)感MRAS、有感HALL。二是FOC的電流重構(gòu)方法，包括雙電阻電流采樣和單電阻電流采樣，后者需重構(gòu)PWM輸出波形。為了支持多FOC，轉(zhuǎn)子電角度計(jì)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(jì)算函數(shù)uint16_t xxx_CalcAngle(Struct *Pst);
速度計(jì)算函數(shù)uint16_t xxx_GetSpeed(Struct *Pst);
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MCU作為底層支持，對(duì)于多FOC電機(jī)應(yīng)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(guò)采用先進(jìn)的無(wú)位置傳感器FOC控制策略，國(guó)民技術(shù)在一顆N32G455芯片上實(shí)現(xiàn)了壓縮機(jī)FOC調(diào)速功能、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制、電子膨脹閥控制、NTC檢測(cè)、串口監(jiān)控以及各種安全保護(hù)措施。
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舒曉華介紹了N32G455系列的多FOC電機(jī)控制解決方案，通過(guò)內(nèi)置最多7個(gè)快速比較器與PWM模塊聯(lián)動(dòng)，快速響應(yīng)剎車事件，擁有高達(dá)4個(gè)獨(dú)立的5Msps的12bit ADC，支持PWM定時(shí)器連動(dòng)自動(dòng)觸發(fā)采樣。最重要的是配置高達(dá)144Hz的高性能32位ARM Cortex-M4F處理器，支持硬件乘除運(yùn)算。

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基于MCU控制的無(wú)刷直流電機(jī)消除了刷子磨損和弧形機(jī)構(gòu)，該技術(shù)使電機(jī)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(jī)在更低成本下可以更為高效的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，并從整體上降低了整機(jī)成本。
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據(jù)介紹，針對(duì)電機(jī)控制應(yīng)用市場(chǎng)，國(guó)民技術(shù)有針對(duì)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(jī)市場(chǎng)應(yīng)用。

如何快速搭建多FOC電機(jī)驗(yàn)證平臺(tái)？

為了方便驗(yàn)證，舒曉華介紹了搭建多FOC電機(jī)驗(yàn)證平臺(tái)“五步法”：環(huán)境準(zhǔn)備、確認(rèn)電機(jī)參數(shù)、確認(rèn)開發(fā)板參數(shù)、確認(rèn)角度計(jì)算方法、確認(rèn)電機(jī)運(yùn)行模式。以基于國(guó)民技術(shù)雙FOC電機(jī)控制評(píng)估套件搭建多FOC電機(jī)驗(yàn)證平臺(tái)為例：?jiǎn)蜦OC執(zhí)行時(shí)間低至10.1us，電機(jī)帶載正反轉(zhuǎn)切換成功跨越零點(diǎn)電流波形、無(wú)角度丟失。
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