多BLDC电机磁场定向控制策略及解决方案

2020年3月27日，由电子发烧友网主办的2020年第三届无刷直流电机控制技术研讨会在线上成功举行。国民技术电机方案开发工程师舒晓华分享了多BLDC电机磁场定向控制策略及解决方案。
 
舒晓华从磁场定向控制（FOC）理论基础和多FOC应用软件设计要求的角度，分享了国民技术多FOC电机应用中的MCU选型重点以及国民技术N32G455系列高效电机主控解决方案，并总结了基于N32G455系列电机主控电流采样重构和PWM重构的优势特点。

FOC（磁场定向控制）理论基础 FOC理论框架如下，其中坐标变换、电角度计算（无感，有感）、PI(D)控制是核心理论，电流采用虽然不是核心理论，但是涉及到具体的项目、开发板、电机时相关度最大，因此非常重要。

其中，坐标变换包括Clark变换实现UVW→αβ变换、Park变换实现αβ→dq变换、Park逆变换实现dq→αβ变换、SVPWM为Clark逆变换实现αβ→UVW变换。
 
PI(D)本质是实现误差控制误差，在FOC电机控制中，电流环、速度环控制一般使用PI进行控制。
 
无感位置估算主要有SMO和MRAS两种方式。其中SMO的核心是对电机模块进行变换，得到电流观测器模型，根据电流模型的值和反馈的电流值进行差值判断，不断调整参数使误差最小。
 
MRAS通过自适应机构来修改可调模型中的参数（增益、速度等），使可调模型中的状态矢量趋近于参考模型中的状态矢量，也就是使共有矢量的差值趋近于零，最终达到速度观测的目的。国民技术电机套件提供的SMO反电势估算具有数字化相位补偿，选用波波夫稳定性理论（MRAS）的设计方法，具有调试参数少、低速观测性能好、直接闭环起动等优点。 多FOC应用中的软件设计策略 根据FOC的理论基础，对多FOC应用中的软件设计策略首先是框架的软件抽象，要遵循FOC引擎的设计原则：独立地提供方法库，统一的属性资源分配，面向对象的设计方法。
 
舒晓华介绍，FOC软件设计模块的重难点在于两方面：一是核心依赖是转子的电角度计算，包括：无感SMO、无感MRAS、有感HALL。二是FOC的电流重构方法，包括双电阻电流采样和单电阻电流采样，后者需重构PWM输出波形。为了支持多FOC，转子电角度计算方法需统一的接口如下：
 
初始化函数void xxx_Init(Struct *Pst);
角度计算函数uint16_t xxx_CalcAngle(Struct *Pst);
速度计算函数uint16_t xxx_GetSpeed(Struct *Pst);
 
MCU作为底层支持，对于多FOC电机应用中的MCU选型，舒晓华给出如下参考，主要包括ADC数量、PWM数量、OPAMP数量、MCU主频等。
多FOC的解决方案 通过采用先进的无位置传感器FOC控制策略，国民技术在一颗N32G455芯片上实现了压缩机FOC调速功能、风机转矩控制、电子膨胀阀控制、NTC检测、串口监控以及各种安全保护措施。
 
舒晓华介绍了N32G455系列的多FOC电机控制解决方案，通过内置最多7个快速比较器与PWM模块联动，快速响应刹车事件，拥有高达4个独立的5Msps的12bit ADC，支持PWM定时器连动自动触发采样。最重要的是配置高达144Hz的高性能32位ARM Cortex-M4F处理器，支持硬件乘除运算。

 
基于MCU控制的无刷直流电机消除了刷子磨损和弧形机构，该技术使电机具有更高的效率，更高的转矩-惯量比，更高的速度性能，更低的噪声，更好的热效率和低EMI特性。从而使电机在更低成本下可以更为高效的稳定可靠运行，并从整体上降低了整机成本。
 
据介绍，针对电机控制应用市场，国民技术有针对性地规划了系列化的芯片产品和解决方案，覆盖高、中、低电机市场应用。
如何快速搭建多FOC电机验证平台？ 为了方便验证，舒晓华介绍了搭建多FOC电机验证平台“五步法”：环境准备、确认电机参数、确认开发板参数、确认角度计算方法、确认电机运行模式。以基于国民技术双FOC电机控制评估套件搭建多FOC电机验证平台为例：单FOC执行时间低至10.1us，电机带载正反转切换成功跨越零点电流波形、无角度丢失。
图：单FOC执行时间低至10.1μs