基于Cortex-M0 的直流無刷電機矢量控制系統(tǒng)設(shè)計

萬 清，宋 錦，雷志強，李克靖，吳居成

（中科芯集成電路有限公司，江蘇無錫 214072）

1 引言

無刷直流電機（Brushless DC Motor,BLDCM）具有強耦合、參數(shù)時變和非線性等特點，本質(zhì)上相當(dāng)于交流電機，僅僅采用經(jīng)典的控制理論完全無法滿足其控制要求[1-2]。幾種常用的電機控制策略有恒壓頻比控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、智能控制技術(shù)[3-5]。矢量控制通過控制定子勵磁輸入，可將轉(zhuǎn)矩和磁通分別進行控制，從而達到控制電機轉(zhuǎn)矩的目的。

在矢量控制系統(tǒng)中，需要采集轉(zhuǎn)子角位置和三相電流。角位置可以通過霍爾傳感器或磁編碼器獲得。三相電流通常采用分壓電阻的方式進行采樣，而在大功率場合，電阻采樣要消耗一定的功耗，因此采用金屬半導(dǎo)體晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET）內(nèi)阻的采樣方式得到應(yīng)用[6-7]。根據(jù)矢量控制算法的要求，算法執(zhí)行時需要同時采集兩相電流，文獻[8]基于MOSFET 內(nèi)阻采樣設(shè)計了輪轂電機控制系統(tǒng)，選用具有兩路ADC 模塊、同時具有注入采樣模式的芯片作為主控，實現(xiàn)了直流無刷電機的控制。

針對Cortex-M0 核的主控芯片，在僅具有單ADC模塊的情況下，同時采集相電流成為難點。并且在實際應(yīng)用中，模擬信號量不僅僅有三相電流，像母線電流、母線電壓、溫度等模擬量也需要進行采集處理。本文在分析Cortex-M0 內(nèi)核ADC 采樣模塊的特點和矢量控制對電流采樣要求的基礎(chǔ)上，將電流信號和控制模擬量分為高頻信號和低頻信號。通過模擬雙ADC的同時采樣方式，給出了不同采樣頻率下的操作流程，實例化驗證了所提出的矢量控制系統(tǒng)的有效性。

2 矢量控制原理

矢量控制采用平均值等效原理，即在一個開關(guān)周期內(nèi)通過對基本電壓矢量加以組合，使其平均值與給定電壓矢量相等[9]。通過調(diào)整三相電壓，合成空間任意位置的磁鏈矢量，通過位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子空間位置，控制合成磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈保持垂直，使轉(zhuǎn)子輸出最大力矩。

矢量控制實施的具體流程：將采集的三相定子電流Ia、Ib、Ic通過Clark 變換獲得相互正交、靜止坐標系下的兩相電流Iα、Iβ，接著通過Park 變換得到同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的兩相電流Iq、Id，將Iq、Id與設(shè)定值Iq*、Id*比較后，經(jīng)PID 控制器輸出控制變量Vq、Vd，最后經(jīng)過Park 逆變換得到可調(diào)制正弦波形的Vα、Vβ，進而對逆變電路中的開關(guān)管進行通斷控制，達到對電機的調(diào)速控制目的。

矢量控制結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 矢量控制結(jié)構(gòu)

2.1 相電流采樣原理

矢量控制中首先需要采集三相定子電流，考慮到大電流流過電阻時會產(chǎn)生功率損耗，利用MOSFET 導(dǎo)通時自身的內(nèi)阻來進行電流采樣。

當(dāng)MOSFET 開關(guān)管流過通態(tài)電流時，在其導(dǎo)通溝道上有一定的壓降，且其導(dǎo)通電阻基本穩(wěn)定，該壓降與器件的通態(tài)電流成正比[10-11]。因此，通過MOSFET 開關(guān)管的通態(tài)壓降能夠反映相電流的大小。此外考慮到MOSFET 開關(guān)器件具有一定的溫度系數(shù)，可以根據(jù)通態(tài)電阻和溫度曲線的關(guān)系，修正導(dǎo)通內(nèi)阻進而消除溫度對相電流檢測精度的影響?？紤]到MOSFET 的導(dǎo)通電阻較小，其上的壓降相對較小，為了獲得準確的導(dǎo)通電流，對采集的導(dǎo)通壓降進行放大處理，基于MOSFET 內(nèi)阻的電流采樣原理如圖2 所示，通常引入3 路運放，對采樣壓降進行差分處理。

圖2 基于MOSFET 內(nèi)阻的電流采樣原理

2.2 霍爾傳感器角度估算

矢量控制中另一關(guān)鍵量為電機定子角度位置信息，通過霍爾傳感器能夠檢測出6 個離散的位置信息，霍爾傳感器輸出信號如圖3 所示。

圖3 霍爾傳感器輸出信號

矢量控制中需要實時的位置信息，借助于Contex-M0 架構(gòu)中具有霍爾捕獲功能的定時器能夠獲得轉(zhuǎn)過一個霍爾狀態(tài)的時間，在計算時假設(shè)在一個狀態(tài)下保持恒速運行，因此可以通過前一霍爾狀態(tài)下的平均速度估算轉(zhuǎn)子當(dāng)前速度，當(dāng)前電角度θ 為：

3 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)方案設(shè)計

根據(jù)矢量控制結(jié)構(gòu)（圖1），該系統(tǒng)采用STM32F030C8T6 作為主控芯片，該芯片基于Cortex-M0 內(nèi)核，內(nèi)部集成1 個可產(chǎn)生6 路互補對稱帶死區(qū)PWM 信號的高級定時器，用于控制驅(qū)動橋開關(guān)器件的開通和關(guān)斷；1 個具有霍爾信號捕獲功能的通用定時器，用于獲得電機定子位置信息；具有1 個12 位16 通道的ADC 采樣模塊，用于模擬量采集。

該控制系統(tǒng)應(yīng)用實例為兩輪車控制器，需要采集1 路轉(zhuǎn)把控制信號、3 路相電流、1 路母線電流、1 路母線電壓和1 路溫度信號?？紤]到流過MOSFET 開關(guān)器件的電流較小，選用差分放大電路，將采集到的信號放大后送入主控芯片，同時考慮到主控芯片只能采集正的模擬信號，而相電流存在正負，因此將相電流進行抬高處理，A 相電流差分放大電路硬件原理如圖4所示，B 相和C 相與之類似。

圖4 A 相電流差分放大電路

圖4 中3.3 V 為加入的偏置電壓，通過電阻網(wǎng)路將采集的相線電流抬高1.67 V，VBus和Ua為A 相MOSFET 開關(guān)管兩端的電壓，將兩端的電壓差分處理便得到MOSFET 兩端的電壓差，進一步得到流過的相電流。

3.2 模擬量采樣方式

該兩輪車控制器需要采集7 路模擬信號量，根據(jù)矢量控制系統(tǒng)對不同模擬量采樣頻率的要求，將相電流和母線電流歸為高頻處理信號，采用DMA 的方式采集，將轉(zhuǎn)把信號、母線電壓和溫度信號歸為低頻采樣信號，采用普通ADC 采樣的方式。然而STM32F030C8T6 僅具有1 個ADC 模塊，無法同時采集兩路模擬量?？紤]到矢量控制對電流信號實時要求高的問題，采用和載波頻率相同的步調(diào)進行采集，載波頻率設(shè)置為16 kHz，而低頻信號采用2 kHz 的頻率進行采集。其采樣流程如圖5 所示。

圖5 模擬量采樣流程

模擬量采樣任務(wù)分為高頻任務(wù)和低頻任務(wù)。高頻任務(wù)負責(zé)由DMA 模式采集相電流和母線電流，同時負責(zé)采集當(dāng)前低頻任務(wù)下所需模擬量。設(shè)計中通過定時觸發(fā)DMA 的采樣模式去采集相電流，當(dāng)采集完后立即讀取出來供FOC 運算使用，這樣可以將實時采集到的電流進行處理，節(jié)約了采集其他量的時間，提高了實時性。同時，在讀取完相電流后將ADC 的采樣模式設(shè)置為普通采樣模式，采集當(dāng)前設(shè)置的低頻信號量，采集完后重新設(shè)置為DMA 的采樣模式，為下一次高頻數(shù)據(jù)采集做準備。由于ADC 采樣需要一定的時間，為了節(jié)約芯片的執(zhí)行效率，利用FOC 變換計算時間作為ADC 采樣等待時間，既保證了可靠的采樣延時，又充分利用了芯片的資源。

在低頻任務(wù)中，采用隊列管理的方式對低頻信號進行管理，本實例共3 個低頻信號，采用2 kHz 的頻率切換不同的通道，即在高頻信號中連續(xù)采集8 次低頻信號后才切換到下一低頻信號。比如，當(dāng)前采集轉(zhuǎn)把信號，在高頻任務(wù)中連續(xù)采集8 次轉(zhuǎn)把信號后，再切換到采集母線電壓8 次，接著切換到采集溫度信號8 次，最后再次切換到采集轉(zhuǎn)把信號。

4 實驗結(jié)果及分析

針對設(shè)計的兩輪車控制器其性能測試平臺設(shè)備包括：輪轂式直流無刷電機、磁粉測功機(ZF200A)、MTS-II 電機測試系統(tǒng)、DX 直流穩(wěn)壓源、計算機、J-LINK 仿真器、示波器等。所選輪轂式直流無刷電機參數(shù)為：額定電壓48 V，額定功率600 W，額定轉(zhuǎn)速500 r/min，極對數(shù)26。

利用磁粉測功機和MTS-II 電機測試系統(tǒng)對設(shè)計的控制器進行性能測試，測試結(jié)果如表1 和圖6 所示。在表1 中，電機在不加載點時轉(zhuǎn)速為515.7 r/min，達到額定轉(zhuǎn)速，最大力矩達72 N·m，能夠保證在載重下可靠運行。結(jié)合圖6，其最高效率點為86.8%，且具有較寬的效率曲線(效率大于80.0%的平臺)?？刂破髟O(shè)計限流點為32.0 A，從曲線可以看出，限流曲線平穩(wěn)、波動小，且速度較平穩(wěn)，保證了騎行時電機的平滑運行，提高了用戶的體驗感。

圖6 控制系統(tǒng)測功曲線

表1 特征點數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

本文在分析Cortex-M0 芯片具有單ADC 采樣模塊和矢量控制對相電流要求的基礎(chǔ)上，將電流采樣和控制量采樣分為高頻信號和低頻信號，高頻信號采用DMA 的采樣方式，低頻信號采用普通ADC 的采樣方式，設(shè)計了直流無刷電機控制器；給出MOSFET 內(nèi)阻的相電流采樣方式，分析了相電流采樣的特點，采用差分放大和偏置電壓疊加的方式對相電流進行處理。實驗選用輪轂式直流無刷電機作為驗證對象，根據(jù)測試功率曲線可以看出所設(shè)計的矢量控制器具有較大的輸出力矩、較寬的效率平臺、穩(wěn)定的限流，驗證了所提出的模擬量采集模式在矢量控制中應(yīng)用的正確性。