本篇文章介紹了使用NXP公司提供的塔式快速原型系統(tǒng)來驅(qū)動控制帶霍爾傳感器的無刷直流電機。文章涉及的塔式快速原型系統(tǒng)主要包括以下四個獨立板卡：1.塔式系統(tǒng)支撐模塊（TWR-Elevator），用以連接微控制器以及周邊模塊；2.低電壓3相電機控制模塊（TWR-MC-LV3PH）；3.通信（USB、Ethernet、CAN、RS232/485）塔式系統(tǒng)模塊（TWR-SER）；4.塔式系統(tǒng)K60 MCU模塊（TWR-K60N512）。

文章從基礎(chǔ)理論講起，幫助讀者梳理電機控制相關(guān)概念，了解整個電機驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)成，帶領(lǐng)讀者從BLDC電機控制實現(xiàn)的各個開發(fā)步驟來直觀體驗了整個實現(xiàn)過程。

目錄

BLDC電機理論

BLDC（帶霍爾傳感器）基本信息

換相

BLDC電機數(shù)字控制

速度控制

系統(tǒng)描述

性能指標(biāo)

概要說明

外設(shè)?

數(shù)據(jù)流程圖

關(guān)鍵技術(shù)詳解

速度和位置測量

PI控制器?

軟件實現(xiàn)

函數(shù)實現(xiàn)

中斷安裝?

對外接口

---

NXP公司把電機在汽車中的應(yīng)用主要分為三類：動力總成，安全和地盤以及車身和舒適。下圖為這三類具體包含涉及到了電機控制的汽車部分。

電機按照實現(xiàn)原理又分為直流有刷電機，直流無刷電機，步進電機，永磁同步電機。下圖為這四種電機在不同汽車部分的應(yīng)用情況。

本文主要介紹的是帶霍爾傳感器的直流無刷（BLDC）電機的控制應(yīng)用實現(xiàn)。

---

BLDC電機理論

BLDC（帶霍爾傳感器）基本信息

BLDC的定子（stator）是通電的線圈，而轉(zhuǎn)子（rotor）是永磁體。換句話來說，BLDC 電機的磁體保持轉(zhuǎn)動，導(dǎo)體保持靜止。

---

換相

利用磁鐵同性相斥，異性相吸的原理，我們在定子上的線圈接入方向適當(dāng)?shù)碾娏?#xff0c;即讓電磁鐵的磁極方向和永磁體的磁極方向正好對應(yīng)，不就能排斥、或者吸引轉(zhuǎn)子做旋轉(zhuǎn)運動了。BLDC電機將那六個線圈兩兩組合，分成A，B，C三個繞組（三相），這樣就能同時控制兩個中心對稱的繞組采用相同的極性，從而提高了驅(qū)動效率，而A，B，C三個繞組又會兩兩結(jié)對，這樣又能驅(qū)動相鄰的兩個轉(zhuǎn)子提供不同的極性，那么轉(zhuǎn)子將會獲得更高的驅(qū)動力，如下面動圖所示，通過AB-AC-BC-BA-CA-CB，這六個節(jié)拍（六步），依次循環(huán)驅(qū)動定子的繞組，轉(zhuǎn)子就能一直旋轉(zhuǎn)下去。

綜上所述，換相可以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)場，通過六步控制，我們總共可以獲得六種可能的定子磁通向量。必須在特定的轉(zhuǎn)子位置更改定子磁通向量。轉(zhuǎn)子位置通常通過霍爾效應(yīng)傳感器檢測?；魻杺鞲衅魃扇N信號，這三種信號也包含六種狀態(tài)。每個霍爾傳感器的狀態(tài)對應(yīng)特定的定子磁通向量，如下表所示。

順時針旋轉(zhuǎn)相序列

霍爾傳感器H1	霍爾傳感器H2	霍爾傳感器H3	A相	B相	C相
0	0	1	V+	V-	NC
0	1	1	V+	NC	V-
1	1	1	NC	V+	V-
1	0	0	V-	V+	NC
0	0	0	V-	NC	V+
0	0	1	NC	V-	V+

我們現(xiàn)在先拿六個電子開關(guān)來理解六個節(jié)拍的轉(zhuǎn)化，如下圖：

---

BLDC電機數(shù)字控制

對于常見的三相BLDC電機，可以使用標(biāo)準(zhǔn)的H橋驅(qū)動電路，如下圖。

BLDC 電機控制應(yīng)用采用互補雙極開關(guān)PWM。利用互補雙極開關(guān)，兩相由互補 PWM 信號供電 （底部 MOSFET的開關(guān)與一相之內(nèi)的頂部MOSFET的開關(guān)互補），一相的占空比大于 50%，另 一相的占空比為互補值（小于 50%），如下圖所示。

互補雙極開關(guān)PWM技術(shù)的優(yōu)點是可以在所有四個工作象限中控制電機。雙極PWM開關(guān)方案要 求頂部和底部開關(guān)PWM信號在換向事件時交換。另一個要求是在互補頂部和底部信號中插入死區(qū)。?

---

速度控制

換相可確保BLDC電機的轉(zhuǎn)子正確旋轉(zhuǎn)，而電機轉(zhuǎn)速則僅取決于所施加電壓的振幅。可使用PWM技術(shù)調(diào)整所施加電壓的振幅。所需轉(zhuǎn)速由速度控制器控制，速度控制器由比例 - 積分 (PI) 控制器實現(xiàn)。實際轉(zhuǎn)速與所需轉(zhuǎn)速之差為PI控制器的輸入，該控制器隨后根據(jù)此差值控制 PWM 脈沖的占空比，并且此占空比與維持正確轉(zhuǎn)速所需的電壓振幅相對應(yīng)。

---

系統(tǒng)描述

性能指標(biāo)

該系統(tǒng)設(shè)計用于驅(qū)動三相 BLDC 電機。該應(yīng)用符合以下性能規(guī)范：

• 使用霍爾效應(yīng)傳感器對 BLDC 電機進行電壓控制。
• 帶 TWR-K60N512 板的塔式系統(tǒng)解決方案。
• 電源電壓 +24 VDC。
• 控制技術(shù)包括：
  • 使用霍爾效應(yīng)傳感器信號進行位置檢測。
  • 使用速度閉環(huán)進行 BLDC 電機電壓控制。
  • 速度測量基于一個霍爾效應(yīng)傳感器。
  • 兩個旋轉(zhuǎn)方向。
  • 可從任何轉(zhuǎn)子位置啟動。
  • 可在每次電機啟動之前對 MOSFET 前置驅(qū)動自舉預(yù)充電。
  • 最小轉(zhuǎn)速 500 RPM （取決于所使用的電機）。
  • 最大轉(zhuǎn)速 4000 RPM （取決于所使用的電機）。
• FreeMASTER接口（輸入速度、測得速度、速度誤差、斜坡參數(shù)、過流LED指示）。
• 以太網(wǎng)終端 （輸入速度、以太網(wǎng)狀態(tài)）。
• 故障保護：
  • 直流母線過流故障保護（硬件）。
  • 電源反向極性保護電路（硬件）。

---

概要說明

K60N512運行主控制算法。根據(jù)用戶接口和反饋信號，它將會生成六路PWM輸出信號(FTM0)。如果所需轉(zhuǎn)速不為零，則應(yīng)用啟用霍爾傳感器中斷并強制首次調(diào)用霍爾中斷程序。每個霍爾傳感器的新邊沿自動調(diào)用中斷程序。在此霍爾中斷程序中，將會掃描來自霍爾傳感器的信號，并交換和屏蔽對應(yīng)的 PWM 通道。此過程稱為換相?；魻杺鞲衅鲯呙瑾毩⒂谒俣瓤刂?#xff08;FTM1）。速度控制循環(huán)由PIT0定時調(diào)用，此周期循環(huán)中存在速度斜坡和應(yīng)用狀態(tài)機。主程序中僅存在一個針對FreeMASTER協(xié)議處理的無限循環(huán)，這樣就可以通過FreeMASTER上位機調(diào)試此應(yīng)用。

---

外設(shè)?

為了使此應(yīng)用正確工作，必須使用以下外設(shè)。不允許將這些外設(shè)用于其他目的。

1. FTM0：用于生成PWM信號的定時器，在組合模式下運行，開關(guān)頻率為 19.2 kHz （48 MHz 的內(nèi)核時鐘），死區(qū)時間為 1 μs。
2. FTM1：用于速度測量的定時器，在輸入捕捉模式下運行，預(yù)分頻為 128，模數(shù)為 0xFFFF，溢出周期為 175 ms。
3. PIT0：用于定時調(diào)用速度控制循環(huán)和應(yīng)用狀態(tài)機，中斷調(diào)用周期為 10 ms （48 MHz 內(nèi)核時鐘）。
4. 端口A：用于霍爾效應(yīng)傳感器中斷，如果在此端口上施加任何其他信號，則在每個信號邊沿調(diào)用此中斷，程序不會正確運行。
5. 端口D：用于霍爾效應(yīng)傳感器中斷，如果在此端口上施加任何其他信號，則在每個信號邊沿調(diào)用此中斷，程序不會正確運行。
6. PTE26：用于緊急停止按鈕。
7. PTA27：用于讀取 MC33937 MOS-FET 前置驅(qū)動的過流引腳。
8. PTA10：用于表示 MC33937 MOS-FET 前置驅(qū)動上的第一級過流。
9. SPI2：用于與 MC33937 MOS-FET 前置驅(qū)動通信。

---

數(shù)據(jù)流程圖

電機驅(qū)動應(yīng)用要求表明軟件將提取用戶接口下發(fā)的速度等參數(shù)和傳感器采集的部分?jǐn)?shù)值進行處理，然后生成用于電機控制的三相PWM信號。閉環(huán)BLDC電機驅(qū)動的控制數(shù)據(jù)流程圖如下所示。

其中包含的關(guān)鍵流程如下：

1. 速度命令：用戶通過FreeMASTER通信軟件發(fā)送的每個速度更改命令均會使speed_req變量中的值改變。
2. 縮放比例和速度斜坡：提供定點32位數(shù)的比例更改和速度斜坡計算，由于整個應(yīng)用系統(tǒng)具有很大慣性，因此，應(yīng)用時必須細化速度命令，否則可能會導(dǎo)致系統(tǒng)過載。此流程會不斷更新speed_scaled的值直到與speed_req值一致。
3. 速度PI控制器：它用于計算實際速度與speed_scaled之差并相應(yīng)地補償PWM 模塊的占空比。
4. 換相和PWM生成：它用于根據(jù)霍爾傳感器的信號創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)場。
5. 傳感器中斷處理程序：它用于生成換相向量。
6. 速度測量：實現(xiàn)測量當(dāng)前電機轉(zhuǎn)速，詳見下一小節(jié)。

---

關(guān)鍵技術(shù)詳解

速度和位置測量

實際電機速度基于旋轉(zhuǎn)周期 (time_measured) 計算得出，并與用戶提供的 speed_req 進行對比。隨 后，通過速度斜坡算法對速度命令進行處理。從斜坡算法輸出獲得的實際速度命令與 speed_measured進行比較，將生成一個speed_error。 旋轉(zhuǎn)周期通過霍爾傳感器 A 和 flex timer 1 掃描，可在捕捉模式下對其進行配置。

---

PI控制器?

速度 PI控制算法用于處理speed_req和speed_measured之間的speed_error。PI控制器輸出傳輸至 PWM發(fā)生器，以作為所施加電機電壓的新校正值。

PI控制器程序在PIT設(shè)備中斷程序PIT0_isr中計算，它每10 ms被調(diào)用一次。此中斷將在電機停止時禁用，從而使PI也禁用。PI控制器的積分部分在低速 （低于 499 RPM）時禁用，因為在此情況下，速度測量并不準(zhǔn)確且PI控制器可能不穩(wěn)定。要確定何時禁用，程序中存在兩個宏： MIN_CW_SPEED_32和MIN_CWW_SPEED_32。

PI控制器的輸入為斜坡算法speed_scaled的輸出，另一個輸入為實際speed_measured。另外兩個 輸入為PI控制器參數(shù)trMyPI結(jié)構(gòu)的指針。所有這些參數(shù)均供PI控制器函數(shù)GFLIB_ControllerPIp 使用。

此函數(shù)輸出為s32Output。它將按照PWM比例縮放為delta_duty并添加到half_duty。此處理結(jié)果為duty_cycle，這將被加載至Flex Timer寄存器中。 每當(dāng)速度比例更改或者電機改變時，必須配置 PI速度控制器參數(shù)。

---

軟件實現(xiàn)

函數(shù)實現(xiàn)

整個電機控制算法由中斷驅(qū)動。主函數(shù)僅用于MCU和應(yīng)用初始化；如下圖所示。初始化終止時， 程序?qū)⑦M入無限循環(huán)或其他應(yīng)用處理程序 （web 服務(wù)器、?USB、FreeMASTER協(xié)議處理等）。

為了使此電機應(yīng)用正常工作，需要使用四個中斷。 四個中斷處理程序分別提供以下服務(wù)：?

• 溢出中斷處理程序：用于電機停止檢測和速度測量。溢出處理程序用于復(fù)位速度斜坡。
• 輸入捕捉中斷處理程序：用于讀取兩個霍爾傳感器邊沿之間的時間 （處理速度傳感器的基本部分）。
• 周期中斷：用于定時調(diào)用速度控制器、速度斜坡和應(yīng)用狀態(tài)機。 PIT中斷在電機停止時禁用。
• 霍爾傳感器中斷：用于掃描霍爾傳感器的狀態(tài)以及換相過程。換相過程生成適當(dāng)?shù)膿Q相模式到六個柵極信號，而 PWM發(fā)生過程則為選定柵極輸出生成相應(yīng)的PWM 信號?？墒褂萌粨Q相向量 “hall_status”從換相表中選擇換相模式。換相模式隨后將載入微控制器的寄存器中。

---

中斷安裝?

裸機版本與MQX版本的差別僅在于中斷安裝方法。我們這里僅僅介紹裸機版本中的安裝方法。

在裸機版本中，我們可以直接安裝中斷。您可以通過在NVICISER寄存器中設(shè)置正確位來輕松實現(xiàn)中斷?？梢允褂眉拇嫫鱊VIC_IP配置中斷的優(yōu)先級。為了更好地理解，請看以下示例。

中斷安裝：

NVICICPR2 = 0x4800010; // 首先清除可能的掛起中斷
NVICISER2 = 0x4800010; // 啟用中斷
NVICICPR1 |= 0x80000000; // 首先清除可能的掛起中斷
NVICISER1 |= 0x80000000; // 啟用中斷

設(shè)置中斷的優(yōu)先級：

NVIC_IP(63) = 0x40; // 針對 FTM1 設(shè)置優(yōu)先級
NVIC_IP(68) = 0x50; // 針對 PIT0 設(shè)置優(yōu)先級
NVIC_IP(87) = 0x40; // 針對霍爾傳感器設(shè)置優(yōu)先級
NVIC_IP(90) = 0x40; // 針對霍爾傳感器設(shè)置優(yōu)先級

---

對外接口

本軟件除了可以通過FreeMASTER調(diào)試通信軟件來控制電機速度，還可以集成到一個完整的應(yīng)用中作為電機驅(qū)動來使用。要達到此目的，我們需要封裝三個對外接口API:

/************************************************************
* 函數(shù)名稱：Set_speed
* 參數(shù)： 所需速度，帶符號短整型數(shù)據(jù)格式的輸入速度。輸入值以 RPM 為單位。
*        電機序號，此例僅有一個。
* 返回：void
* 描述：用于為每個電機輸入所需速度。
***********************************************************/
void Set_speed(signed short speed_input, int motor_number)
{ speed_req = INT16TOF32((speed_input*SPEED_TO_RPM_SCALE));}/*******************************************************
* 函數(shù)名稱：Get_speed
* 參數(shù)：電機序號
* 返回：測得的速度
* 描述：用于獲取每個電機的速度（帶符號短整型數(shù)據(jù)格式).此值以 RPM 為單位。
******************************************************/
signed short Get_speed(int motor_number)
{signed long speed_temp;speed_temp = (speed_measured * MAX_SCALED_SPEED);return (speed_temp >> 15);
}/***************************************************
* 函數(shù)名稱：Get_status
* 參數(shù)：無
* 返回：應(yīng)用狀態(tài)
*       0 — 處于空閑狀態(tài)
*       1 — 處于停止?fàn)顟B(tài)
*       2 — 處于正在運行狀態(tài)
**************************************************/
unsigned char Get_status(void)
{ return App_state; }

---

?十六宿舍 原創(chuàng)作品，轉(zhuǎn)載必須標(biāo)注原文鏈接。

?2023 Yang Li. All rights reserved.

歡迎關(guān)注?『十六宿舍』，大家喜歡的話，給個👍，更多關(guān)于嵌入式相關(guān)技術(shù)的內(nèi)容持續(xù)更新中。