MM32SPIN系列电机专用MCU方案首发 -- MM32SPIN0x 在风机无传感...

只看该作者 · 2021-7-9 11:09

在现今越来越强调环保节能的法规要求下, 新一代的产品需要具备高效的性能, 在永磁无刷电机驱动上亦是如此, 除了高效率的电机外, 电子组件及驱动算法也必须尽可能的高效。

为此灵动微电子提出了以MM32SPIN0x 32位微处理器开发的无位置传感器FOC弦波驱动风机解决方案。以下表格为此方案所提供的电机驱动功能列表。

只看该作者 · 2021-7-9 11:10

本篇内容分为三大部分, 电机驱动硬件的参考设计、软件设计、以及此风机驱动方案的实际运转验证。

一、MM32 MCU电机驱动硬件的参考设计

硬件系统由外部 24V电源供电, 经过电源降压转换后提供15V、5V电压, 分别供电给Gate driver IC, 以及MM32 SPIN0x 微处理器，而功率开关管则直接使用24V电源。

此方案采用0~5V的电压输入做为速度命令的来源, 以控制电机转速。用户调节可变电阻旋钮(VR1, 请见图1)可以改变此输入电压值, 当输入电压值超过0.7V时电机将会启动, 当电压值低于0.4V电机将会停止。此方案的转速是经过此输入电压的变化加以控制, 目前规划为七段转速控制。

电机启动前会先量测电机的U, V两相的反电动势电压(BEMF), 并由此侦测点击目前是在静止状态或是旋转状态。若是在静止状态，则可以直接启动电机运转。若电机是在旋转状态, 程序将会持续量测BEMF U,V 的电压一段时间后, 经由计算得知此电机的转速及顺逆转方向, 之后才能依此数据启动电机。

电机启动后, 将会透过运算放大器量测二相的相电流 Ia, Ib, 并将此信息经过坐标轴转换后控制电机的力矩电流大小及相位。

电机进入闭回路运转后, 其运转的角度将由滑模估测器提供, 并藉由此获得电机速度的数据。此时若是收到用户传来的电机停止命令, 程序并不会立即关闭PWM 输出, 而是会自行降低目前的转速命令, 使实际转速低于参数设定值后才会将PWM 输出关闭。

图1. MM32 MCU电机驱动硬件框图

只看该作者 · 2021-7-9 11:11

二、MM32 MCU电机驱动的软件设计

图2为MM32 MCU电机磁场导向驱动软件设计框图。软件流程一开始是由ADC读取外部输入电压产生目标速度命令, 经过闭回路加速度斜率控制器运算后, 得到可提供速度PI控制器功能方块的速度命令, 接着用此速度命令与反馈的实际速度, 经由PI 控制器计算之后产生力矩电流命令。

磁场导向控制器(FOC)功能方块接收到此力矩电流命令及电机的估测角度后, 经过三相电流的反馈、坐标转换、电流环PI计算、及空间矢量调制等法则运算, 由此获得要逼近目标转速所需求的三相PWM占空比数据, 之后将此数据产生PWM输出给予外部的电力驱动组件, 以此驱动电机运转。

在磁场导向控制器功能方块产生PWM 讯号的过程中, 滑模估测器功能方块负责产生电机运转所需要的估测角度及速度。

图2蓝色标示的部分为磁场导向控制的细部软件框图, 这个理论是由 F. Blaschke 在1972年所提出的。各个方块输出/输入的斜体文字为实际程序中的变量名称。

图2. 磁场导向软件设计框图

只看该作者 · 2021-7-9 11:11

本方案的磁场导向控制主要有三个坐标转换计算, Clarke转换、Park转换及逆变换Park转换, 目的是要能够控制电机的磁场电流 Id及力矩电流Iq, 以实现电机的转速控制。

Clarke 坐标转换(图3) ：

Clarke 坐标轴转换目的是将三相电流的三轴 (a, b, c) 坐标系统转换为2轴 (α,β)坐标系统, 并将α轴对齐三相坐标轴的a轴。

图3. Clarke坐标轴转换及其方程式

只看该作者 · 2021-7-9 11:12

Park 坐标转换(图4) ：

Park坐标轴转换目的是将静态的2轴 (α,β)坐标系统转换为电机同步旋转的2轴 (d, q) 坐标系统。d轴表转子磁通电流方向及大小, q轴表力矩电流,θ为转子角度。以下算式为Park 坐标转换方程式。

图4. Park坐标转换及其方程式

只看该作者 · 2021-7-9 11:12

逆变换Park 坐标转换(图5) ：

目的是将电机同步旋转的2轴(d, q)坐标系统转换回静态的2轴(α,β)坐标系统。

图5. 逆变换Park坐标转换及其方程式

只看该作者 · 2021-7-9 11:14

图6 为滑模角度估测系统细部的框图，滑模角度估测器由四个主要功能方块所组成。首先由电流估测器产生估测电流, 并用此估测电流与量测的实际电流Ialfa,Ibeta的差值, 经过bang-bang 控制与低通滤波功能方块运算后, 产生估测的反电动势电压值Ealfa, Ebeta, 将此估测的电压值经过反正切的计算后即可得到估测的转子角度。

图6. 滑模估测(SMO)转子角度软件控制框图

只看该作者 · 2021-7-9 11:18

三、风机驱动方案的实际运转验证

本方案选用了灵动微电子的MM32SPIN05PF 32位微处理器, 以实现无位置传感器的风机FOC弦波驱动控制, 以下为实际风机运转的各种电流波形图。

图7 为风机从开环启动, 加速后进入闭环控制的相电流波形图。

图7. 开环启动进入闭环控制的相电流波形 (电流探棒量测规格为1A/1V)

只看该作者 · 2021-7-9 11:18

图8 为风机驱动在12吋叶片负载下, 控制命令为2安培的电机运转相电流波形图。

图8. 电流命令2A下的V相电流波形, 实际量测结果为±2.05A (电流探棒规格1A/1V)

只看该作者 · 2021-7-9 11:21

图9 为4极对风机驱动的W相电流波形, 负载为8吋叶片, 风机速度命令为3675RPM, 实测风机转速为3708RPM (247.2Hz*60/4 = 3708RPM), 转速误差 < ±1%。

图9. 速度控制下的W相电流波形 (电流探棒量测规格为1A/1V)

由以上验证结果可以得知, MM32SPIN0x 微处理器的指令周期, PWM分辨率及ADC精准度可以完全实现电机磁场导向控制较高的运算与量测需求, 达到精准的电流及转速控制, 并能充分发挥三相永磁同步电机的能效及静音效果。

只看该作者 · 2021-7-16 15:32

对电机了解不多，算是科普学习了