想要降低無(wú)刷直流驅(qū)動(dòng)成本和復(fù)雜度？

本文作者瓜弟，長(zhǎng)期從事新能源汽車主驅(qū)電機(jī)的軟件開(kāi)發(fā)工作，專注于擴(kuò)展卡爾曼觀測(cè)器、高頻注入等針對(duì)電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)的識(shí)別算法的研究，對(duì)市面上各個(gè)廠商的電驅(qū)方案都有所了解。在本篇文章中，作者對(duì)Power Integrations（以下簡(jiǎn)稱PI）公司的電機(jī)控制軟件開(kāi)發(fā)套件進(jìn)行了測(cè)評(píng)，其中包括了專業(yè)上位機(jī)軟件Motor-Expert 2.0和基于libTPCFOC_IPH_Curr_Recon_v01.00.000.a電機(jī)控制庫(kù)的下位機(jī)軟件。該軟件庫(kù)搭配PI BridgeSwitch功率器件，能夠?qū)崿F(xiàn)400V電壓平臺(tái)下的中小功率無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，適用于家用或商用的空調(diào)、風(fēng)扇等，具有很廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。同時(shí)由于其功率器件的高度集成化，極大的降低了硬件成本和減少了PCB占用空間。下面是具體評(píng)測(cè)內(nèi)容。

針對(duì)文中出現(xiàn)的縮略詞，為避免歧義，在此提前聲明：

開(kāi)發(fā)套件功能一覽

首先，我們來(lái)看看本次測(cè)評(píng)對(duì)象PI電機(jī)控制軟件開(kāi)發(fā)套件的具體組成。主要包括上位機(jī)軟件Motor-Expert 2.0和下位機(jī)軟件基于libTPCFOC_IPH_Curr_Recon_v01.00.000.a電機(jī)控制庫(kù)。 Motor-Expert 2.0是PI推出的一款嵌入C語(yǔ)言應(yīng)用程序、庫(kù)及控制GUI的軟件，使用BridgeSwitch無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC的設(shè)計(jì)人員，借助該軟件可對(duì)三相電機(jī)的運(yùn)行性能進(jìn)行精確的控制和調(diào)整。其與電機(jī)控制庫(kù)的通信協(xié)議是公開(kāi)的，用戶在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中可使用該上位機(jī)進(jìn)行調(diào)試。根據(jù)說(shuō)明文檔整理及軟件界面顯示，該上位機(jī)具備如下功能：電機(jī)狀態(tài)顯示、電機(jī)參數(shù)設(shè)置、電機(jī)控制指令設(shè)置、數(shù)據(jù)波形顯示（同一時(shí)刻最多四個(gè)信號(hào)）、控制臺(tái)等。 對(duì)于下位機(jī)軟件電機(jī)控制庫(kù)libTPCFOC_IPH_Curr_Recon_v01.00.000.a，我們根據(jù)說(shuō)明文檔，能夠整理發(fā)現(xiàn)該軟件庫(kù)具備以下功能：

高可配置性，包括在運(yùn)行過(guò)程中也可以進(jìn)行配置，突出一個(gè)“靈活”

速度環(huán)控制、扭矩環(huán)（電流環(huán)）控制

通過(guò)使用BridgeSwitch功率器件，對(duì)三相電流進(jìn)行重建，實(shí)現(xiàn)三相無(wú)刷電機(jī)無(wú)感矢量控制

支持BridgeSwitch功率器件的錯(cuò)誤總線功能。錯(cuò)誤總線使用單線通信，可使三組半橋通過(guò)同一根信號(hào)線連接至單片機(jī)，向單片機(jī)傳送半橋的四個(gè)級(jí)別的欠壓、過(guò)壓、半橋過(guò)熱、驅(qū)動(dòng)狀態(tài)、過(guò)流等故障信息，該功能極大的減少了單片機(jī)引腳的使用，確實(shí)優(yōu)秀，本人第一次見(jiàn)功率器件及驅(qū)動(dòng)以總線形式傳遞故障信息

對(duì)功率器件的監(jiān)控、保護(hù)

數(shù)據(jù)記錄、回放功能，方便系統(tǒng)狀態(tài)診斷和系統(tǒng)參數(shù)調(diào)試

與上位機(jī)軟件的通信，方便進(jìn)行電機(jī)控制和數(shù)據(jù)可視化

方便移植至其他單片機(jī)平臺(tái)。該軟件庫(kù)的Demo是基于XMC1400單片機(jī)，為Cortex-M0內(nèi)核，48MHz，所以對(duì)于大部分基于Cortex-M核的單片機(jī)都可使用，只是對(duì)于支持浮點(diǎn)計(jì)算的單片機(jī)，有點(diǎn)性能浪費(fèi)；使用DAVE開(kāi)發(fā)環(huán)境，編譯鏈為ARM-GCC，所以移植時(shí)需考慮編譯鏈匹配。

綜上所述，該電機(jī)控制庫(kù)具有完整的電機(jī)控制環(huán)路算法，在實(shí)際使用過(guò)程中，用戶只需要專注處理如下工作：?jiǎn)纹瑱C(jī)硬件適配、產(chǎn)品應(yīng)用層設(shè)計(jì)、產(chǎn)品參數(shù)配置。

明確套件功能后，我們的測(cè)評(píng)步驟也基本確定：首先使用XMC1400（單片機(jī)開(kāi)發(fā)板）、DER-870（BridgeSwitch器件評(píng)估板）構(gòu)建電機(jī)控制硬件。然后對(duì)PI Demo程序（BridgeSwitch Three-Phase Sensorless FOC Code Library using Integrated Phase Current (IPH)）進(jìn)行硬件適配。再使用上位機(jī)軟件Motor-Expert 2.0進(jìn)行電機(jī)控制環(huán)的參數(shù)調(diào)優(yōu)。最后，使用上位機(jī)軟件對(duì)電機(jī)狀態(tài)、相關(guān)數(shù)據(jù)波形進(jìn)行顯示展示。

硬件環(huán)境搭建

1. 逆變橋 逆變橋使用PI DER-870評(píng)估板，實(shí)物如下如所示：

該評(píng)估板使用三顆BridgeSwitch BRD1267C 半橋器件，原理圖如下所示：

該評(píng)估板的主要外參數(shù)如下圖所示：

可以看出，該半橋的電路極其簡(jiǎn)單，只需在外圍配置電阻、電容即可正常工作。該評(píng)估板背側(cè)另有額外的電流采集電路，試用過(guò)程中下未使用，故未列出其原理。結(jié)合原理圖、參數(shù)、Datasheet可知，該評(píng)估板的電氣接口定義如下：

此外，該評(píng)估板的關(guān)鍵電信號(hào)主要包括：半橋功率器件，相電流與電流信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系為400uA/A，電流信號(hào)轉(zhuǎn)電壓信號(hào)所使用的電阻值為10KΩ，對(duì)應(yīng)電壓信號(hào)為4V/A，該半橋最大輸出電流為0.7A，對(duì)應(yīng)最大輸出電壓為2.8V；半橋的上橋臂使用的PWM信號(hào)為低邏輯，即當(dāng)該P(yáng)WM信號(hào)為低時(shí)，對(duì)應(yīng)上的上橋臂導(dǎo)通；器件ID，逆變橋使用三個(gè)半橋功率器件，該三個(gè)半橋使用同一根FAULT_BUS信號(hào)與微控制器通信，因此需要設(shè)置每個(gè)半橋的通信識(shí)別ID，通過(guò)將半橋功率器件的ID引腳分別：連接至BPL引腳、懸空、連接SG引腳共三種方式來(lái)設(shè)置三個(gè)ID，微控制器具有默認(rèn)的ID，因此無(wú)需設(shè)置。 2. XMC1400評(píng)估板

3. 連線 依據(jù)Demo文檔，接線關(guān)系如下：

4.電機(jī) 電機(jī)連接如下圖所示：

電機(jī)控制軟件Demo分析

硬件環(huán)境搭建完成，讓我們來(lái)看看軟件部分。電機(jī)控制軟件Demo程序?qū)⒋a主要分為三層：硬件抽象層、電機(jī)控制算法層、電機(jī)控制應(yīng)用層。硬件抽象層包括錯(cuò)誤總線驅(qū)動(dòng)、PWM驅(qū)動(dòng)、ADC驅(qū)動(dòng)、UART驅(qū)動(dòng)、GPIO驅(qū)動(dòng)、看門(mén)狗驅(qū)動(dòng)。電機(jī)控制算法層包括FOC、反饋信號(hào)處理、V/f(壓頻)控制、PI控制器、速度環(huán)、加速度控制、狀態(tài)觀測(cè)器、相電流重構(gòu)、電流環(huán)、錯(cuò)誤總線監(jiān)控、狀態(tài)監(jiān)控。電機(jī)控制應(yīng)用層包括故障處理、電機(jī)控制、數(shù)據(jù)采集、與上位機(jī)軟件的通信。 第一步：電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程 此電機(jī)控制庫(kù)所使用的轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)算法是基于磁鏈觀測(cè)算法，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)低、電流太?。ㄐ旁氡忍。r(shí)，將導(dǎo)致觀測(cè)器無(wú)法穩(wěn)定閉環(huán)，故需要先將電機(jī)轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)條件下進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，其啟動(dòng)過(guò)程如下圖所示：

Bootstrap階段

在低成本的逆變電路中，對(duì)于逆變橋上橋臂的門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)普遍采用自舉電路，通過(guò)二極管、電容來(lái)維持上橋臂開(kāi)通時(shí)所需要的的門(mén)級(jí)電壓。在上圖的Bootstrap階段，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)半橋的上橋臂關(guān)斷、下橋臂開(kāi)通時(shí)，通過(guò)二極管對(duì)自舉電容充電，使得上橋臂在下一個(gè)PWM周期內(nèi)可以正常工作。

Alignment階段

此階段，通過(guò)給定一個(gè)方向恒定的電磁場(chǎng)，強(qiáng)行拉動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到該角度附近。

Alignment De-energize階段

上一階段后的一段空閑時(shí)間，猜測(cè)是用于等待轉(zhuǎn)子穩(wěn)定下來(lái)。

Sensorless Startup階段

此階段通過(guò)開(kāi)環(huán)拖動(dòng)，使電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸提高至設(shè)定的轉(zhuǎn)速值。

Open-Loop階段

控制器輸出固定的占空比信號(hào)，使電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸穩(wěn)定下來(lái)，預(yù)設(shè)置觀測(cè)器，用于下一階段的閉環(huán)控制。

Closed-Loop階段

基于上一階段的穩(wěn)定運(yùn)行，使用磁鏈觀測(cè)的方法，進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)子角度、轉(zhuǎn)速的閉環(huán)觀測(cè)、電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)、應(yīng)用層等的正常運(yùn)行。

第二步：電機(jī)磁鏈觀測(cè)器

磁鏈觀測(cè)器原理如下圖所示。Vs即控制器的輸出電壓，減去電機(jī)電流×電機(jī)電阻，理想情況下，為電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)+電機(jī)電感的電壓，通過(guò)該電壓計(jì)算得到總的磁鏈，并減去由電流+電感產(chǎn)生的磁鏈，即可得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁鏈。由此可以看出，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)小，將導(dǎo)致反電動(dòng)勢(shì)過(guò)小，信噪比過(guò)小，影響觀測(cè)效果。同時(shí)可以看出，電機(jī)電感、電阻、永磁體磁鏈等參數(shù)也將影響觀測(cè)器的結(jié)果的準(zhǔn)確性。

第三步：電機(jī)轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)器 理論上，當(dāng)?shù)玫睫D(zhuǎn)子的磁鏈?zhǔn)噶繒r(shí)，即可通過(guò)arctan()函數(shù)計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，但是實(shí)際中此方法計(jì)算得到的電機(jī)角度紋波毛刺過(guò)大，后需一個(gè)低通濾波器。此電機(jī)控制庫(kù)使用正交鎖相環(huán)QPLL對(duì)磁鏈?zhǔn)噶窟M(jìn)行處理，即可得到低毛刺的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。

第四步：上位機(jī)軟件Motor-Expert 2.0 Motor-Expert 2.0軟件是PI公司針對(duì)其電機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)的調(diào)試軟件，通過(guò)串口與目標(biāo)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，完成參數(shù)配置、命令設(shè)置、數(shù)據(jù)回傳等功能。

具體使用步驟如下： 1、在下位機(jī)內(nèi)燒寫(xiě)電機(jī)控制軟件 2、連接通過(guò)USB連接下位機(jī)至PC 3、點(diǎn)擊上位機(jī)菜單欄‘Connect’，在彈出的對(duì)話框中，選擇對(duì)應(yīng)的串口號(hào)，只有選擇了正確的串口號(hào)，才能進(jìn)行后續(xù)的操作 4、配置參數(shù)：

點(diǎn)擊‘Configuration’

‘Motor Configuration’，電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，順時(shí)針或者逆時(shí)針，看需求選擇

‘Current Feedback’，逆變電路參數(shù)選擇，我使用的DER-870開(kāi)發(fā)板使用的器件為BRD1267，轉(zhuǎn)換電阻為10000 Ohm

‘Motor Stall Monitoring’、‘Current Limit Monitoring’、‘Speed Limit Monitoring’等根據(jù)需要更改

‘Motor Parameters’，根據(jù)實(shí)際填寫(xiě)母線電壓、電機(jī)電阻、電感

點(diǎn)擊‘Phasing’，此頁(yè)面的參數(shù)對(duì)應(yīng)電機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程參數(shù)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)點(diǎn)擊無(wú)法啟動(dòng)，或者啟動(dòng)時(shí)過(guò)流，需調(diào)節(jié)此頁(yè)參

電流重建、磁鏈觀測(cè)器的參數(shù)可暫時(shí)使用默認(rèn)參數(shù)

點(diǎn)擊‘Control’，分別進(jìn)行電流環(huán)的參數(shù)調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)速換參數(shù)調(diào)節(jié)，即可進(jìn)行電機(jī)的恒轉(zhuǎn)速控制。

5、當(dāng)電機(jī)可以較為穩(wěn)定的運(yùn)行后，點(diǎn)擊‘Vector Estimation’,我遇到的主要是‘Stator Manitude Regular’下的積分項(xiàng)‘KI’參數(shù)過(guò)大，導(dǎo)致最終計(jì)算結(jié)果角度偏差過(guò)大，D軸電流過(guò)大，體現(xiàn)出母線電流過(guò)大，我將‘KI’參數(shù)減小，‘KP’參數(shù)加大之后，轉(zhuǎn)速不變的情況下，母線電流大幅度減小。

在電機(jī)實(shí)際啟動(dòng)過(guò)程，先通過(guò)給定固定的矢量電流進(jìn)行相位對(duì)齊，此時(shí)電機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)小角度，產(chǎn)生抖動(dòng)，這是此類無(wú)感算法的特點(diǎn)。在電機(jī)開(kāi)環(huán)拖動(dòng)過(guò)程中，如果產(chǎn)生明顯抖動(dòng)，需要調(diào)整開(kāi)環(huán)拖動(dòng)期間的PWM占空比參數(shù)，有條件的，應(yīng)通過(guò)測(cè)試設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，對(duì)比設(shè)定的開(kāi)環(huán)拖動(dòng)參數(shù)，判斷開(kāi)環(huán)拖動(dòng)狀態(tài)下是否發(fā)生電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)矢量與電磁矢量之間節(jié)拍不一致（PWM參數(shù)太小時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速小于電磁矢量的轉(zhuǎn)速）。在開(kāi)環(huán)狀態(tài)到閉環(huán)狀態(tài)，此時(shí)容易產(chǎn)生振動(dòng)，需要減弱速度環(huán)的PI參數(shù)，使其轉(zhuǎn)速環(huán)性能變軟。當(dāng)閉環(huán)控制穩(wěn)定之后，即可進(jìn)行轉(zhuǎn)速環(huán)指令的調(diào)整。

總結(jié)

本次測(cè)評(píng)，總體感受是上手很快，節(jié)約了很多時(shí)間。由于使用了官方Demo所使用的單片機(jī)開(kāi)發(fā)板，整個(gè)Demo順利運(yùn)行起來(lái)還是比較簡(jiǎn)單，基本上是下班后讀讀官方的相關(guān)文檔，然后按照Demo文檔所述連接硬件，再連接上位機(jī)調(diào)參即可。由于我使用的電機(jī)電感比較小，所以在電流環(huán)的調(diào)節(jié)、磁鏈觀測(cè)器調(diào)節(jié)上占用了一定的時(shí)間。所收獲的經(jīng)驗(yàn)就是理解軟件的基礎(chǔ)算法結(jié)構(gòu)，有利于根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行狀況調(diào)節(jié)參數(shù)。

同時(shí)，由于PI BridgeSwitch功率器件典型工作電壓為340V，電壓等級(jí)為400V，最大擊穿電壓為600V，故在市電下，經(jīng)過(guò)一級(jí)簡(jiǎn)單的整流濾波后，即可作為目標(biāo)設(shè)備的功率供電，相比較傳統(tǒng)的方案，省去了DCDC電路，節(jié)省了成本。通過(guò)直接對(duì)市電進(jìn)行整流后，使用此套方案，即可用在風(fēng)扇、空調(diào)、油煙機(jī)等常見(jiàn)的家用電器之中，在產(chǎn)品尺寸、成本等方面都具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

同時(shí)，也有一些建議，以期待更好的提升。由于基于磁鏈的觀測(cè)器，過(guò)于依賴反電動(dòng)勢(shì)，對(duì)于極低速狀態(tài)下，無(wú)法穩(wěn)定運(yùn)行，建議加入高頻注入觀測(cè)器、擴(kuò)展卡爾曼觀測(cè)器等進(jìn)行低速區(qū)的過(guò)渡。此外，建議上位機(jī)提供二次開(kāi)發(fā)接口，作為子進(jìn)程運(yùn)行在客戶的應(yīng)用程序下。

審核編輯 ：李倩