本人長(cháng)期從事新能源汽車(chē)主驅電機的軟件開(kāi)發(fā)工作，專(zhuān)注于擴展卡爾曼觀(guān)測器、高頻注入等針對電機各項參數的識別算法的研究，對市面上各個(gè)廠(chǎng)商的電驅方案都有所了解。本篇文章，我們將對Power Integrations（以下簡(jiǎn)稱(chēng)PI）公司電機控制軟件開(kāi)發(fā)套件進(jìn)行測評，其中包括上位機軟件Motor-Expert 2.0和基于
libTPCFOC_IPH_Curr_Recon_v01.00.000.a電機控制庫的下位機軟件。該軟件庫搭配PI BridgeSwitch™功率器件，能夠實(shí)現400V電壓平臺下的中小功率無(wú)刷電機驅動(dòng)，適用于家用或商用的空調、風(fēng)扇等，具有很廣闊的應用場(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。下面我們將開(kāi)始具體測評。
針對文中出現的縮略詞，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)看看本次測評對象PI電機控制軟件開(kāi)發(fā)套件的具體組成。主要包括上位機軟件Motor-Expert 2.0和下位機軟件基于
libTPCFOC_IPH_Curr_Recon_v01.00.000.a電機控制庫。
Motor-Expert 2.0是PI推出的一款嵌入C語(yǔ)言應用程序、庫及控制GUI的軟件，使用BridgeSwitch™無(wú)刷直流（BLDC）電機驅動(dòng)器IC的設計人員，借助該軟件可對三相電機的運行性能進(jìn)行精確的控制和調整。其與電機控制庫的通信協(xié)議是公開(kāi)的，用戶(hù)在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中可使用該上位機進(jìn)行調試。根據說(shuō)明文檔整理及軟件界面顯示，該上位機具備如下功能：電機狀態(tài)顯示、電機參數設置、電機控制指令設置、數據波形顯示（同一時(shí)刻最多四個(gè)信號）、控制臺等。
對于下位機軟件電機控制庫
libTPCFOC_IPH_Curr_Recon_v01.00.000.a，我們根據說(shuō)明文檔，能夠整理發(fā)現該軟件庫具備以下功能：
-高可配置性，包括在運行過(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，對三相電流進(jìn)行重建，實(shí)現三相無(wú)刷電機無(wú)感矢量控制
-支持BridgeSwitch™功率器件的錯誤總線(xiàn)功能。錯誤總線(xiàn)使用單線(xiàn)通信，可使三組半橋通過(guò)同一根信號線(xiàn)連接至單片機，向單片機傳送半橋的四個(gè)級別的欠壓、過(guò)壓、半橋過(guò)熱、驅動(dòng)狀態(tài)、過(guò)流等故障信息，該功能極大的減少了單片機引腳的使用，確實(shí)優(yōu)秀，本人第一次見(jiàn)功率器件及驅動(dòng)以總線(xiàn)形式傳遞故障信息
-對功率器件的監控、保護
-數據記錄、回放功能，方便系統狀態(tài)診斷和系統參數調試
-與上位機軟件的通信，方便進(jìn)行電機控制和數據可視化
-方便移植至其他單片機平臺。該軟件庫的Demo是基于XMC1400單片機，為Cortex-M0內核，48MHz，所以對于大部分基于Cortex-M核的單片機都可使用，只是對于支持浮點(diǎn)計算的單片機，有點(diǎn)性能浪費；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，該電機控制庫具有完整的電機控制環(huán)路算法，在實(shí)際使用過(guò)程中，用戶(hù)只需要專(zhuān)注處理如下工作：?jiǎn)纹瑱C硬件適配、產(chǎn)品應用層設計、產(chǎn)品參數配置。
明確套件功能后，我們的測評步驟也基本確定：首先使用XMC1400（單片機開(kāi)發(fā)板）、DER-870（BridgeSwitch™器件評估板）構建電機控制硬件。然后對PI Demo程序（BridgeSwitch Three-Phase Sensorless FOC Code Library using Integrated Phase Current (IPH)）進(jìn)行硬件適配。再使用上位機軟件Motor-Expert 2.0進(jìn)行電機控制環(huán)的參數調優(yōu)。最后，使用上位機軟件對電機狀態(tài)、相關(guān)數據波形進(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評估板，實(shí)物如下如所示：
該評估板使用三顆BridgeSwitch™ BRD1267C 半橋器件，原理圖如下所示
該評估板的主要外參數如下圖所示
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。該評估板背側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。結合原理圖、參數、Datasheet可知，該評估板的電氣接口定義如下：
此外，該評估板的關(guān)鍵電信號主要包括：半橋功率器件，相電流與電流信號的對應關(guān)系為400uA/A，電流信號轉電壓信號所使用的電阻值為10KΩ，對應電壓信號為4V/A，該半橋最大輸出電流為0.7A，對應最大輸出電壓為2.8V；半橋的上橋臂使用的PWM信號為低邏輯，即當該PWM信號為低時(shí)，對應上的上橋臂導通；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信號與微控制器通信，因此需要設置每個(gè)半橋的通信識別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)設置三個(gè)ID，微控制器具有默認的ID，因此無(wú)需設置。
2. XMC1400評估板
3. 連線(xiàn)：依據Demo文檔，接線(xiàn)關(guān)系如下
4.電機：電機連接如下圖所示：
電機控制軟件Demo分析
硬件環(huán)境搭建完成，讓我們來(lái)看看軟件部分。電機控制軟件Demo程序將代碼主要分為三層：硬件抽象層、電機控制算法層、電機控制應用層。硬件抽象層包括錯誤總線(xiàn)驅動(dòng)、PWM驅動(dòng)、ADC驅動(dòng)、UART驅動(dòng)、GPIO驅動(dòng)、看門(mén)狗驅動(dòng)。電機控制算法層包括FOC、反饋信號處理、V/f(壓頻)控制、PI控制器、速度環(huán)、加速度控制、狀態(tài)觀(guān)測器、相電流重構、電流環(huán)、錯誤總線(xiàn)監控、狀態(tài)監控。電機控制應用層包括故障處理、電機控制、數據采集、與上位機軟件的通信。
第一步：電機啟動(dòng)過(guò)程
此電機控制庫所使用的轉子位置觀(guān)測算法是基于磁鏈觀(guān)測算法，當電機轉速過(guò)低、電流太�。ㄐ旁氡忍。⿻r(shí)，將導致觀(guān)測器無(wú)法穩定閉環(huán)，故需要先將電機轉速開(kāi)環(huán)條件下進(jìn)行轉動(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，對于逆變橋上橋臂的門(mén)級驅動(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)級電壓。在上圖的Bootstrap階段，當第一個(gè)半橋的上橋臂關(guān)斷、下橋臂開(kāi)通時(shí)，通過(guò)二極管對自舉電容充電，使得上橋臂在下一個(gè)PWM周期內可以正常工作。
Alignment階段：此階段，通過(guò)給定一個(gè)方向恒定的電磁場(chǎng)，強行拉動(dòng)電機轉子轉到該角度附近。
Alignment De-energize階段：上一階段后的一段空閑時(shí)間，猜測是用于等待轉子穩定下來(lái)。
Sensorless Startup階段：此階段通過(guò)開(kāi)環(huán)拖動(dòng)，使電機轉速逐漸提高至設定的轉速值。
Open-Loop階段：控制器輸出固定的占空比信號，使電機轉速逐漸穩定下來(lái)，預設置觀(guān)測器，用于下一階段的閉環(huán)控制。
Closed-Loop階段：基于上一階段的穩定運行，使用磁鏈觀(guān)測的方法，進(jìn)行電機轉子角度、轉速的閉環(huán)觀(guān)測、電流環(huán)、轉速環(huán)、應用層等的正常運行。
第二步：電機磁鏈觀(guān)測器
磁鏈觀(guān)測器原理如下圖所示。Vs即控制器的輸出電壓，減去電機電流×電機電阻，理想情況下，為電機的反電動(dòng)勢+電機電感的電壓，通過(guò)該電壓計算得到總的磁鏈，并減去由電流+電感產(chǎn)生的磁鏈，即可得到電機轉子的磁鏈。由此可以看出，當電機轉速過(guò)小，將導致反電動(dòng)勢過(guò)小，信噪比過(guò)小，影響觀(guān)測效果。同時(shí)可以看出，電機電感、電阻、永磁體磁鏈等參數也將影響觀(guān)測器的結果的準確性。
第三步：電機轉子位置觀(guān)測器
理論上，當得到轉子的磁鏈矢量時(shí)，即可通過(guò)arctan()函數計算出電機轉子位置，但是實(shí)際中此方法計算得到的電機角度紋波毛刺過(guò)大，后需一個(gè)低通濾波器。此電機控制庫使用正交鎖相環(huán)QPLL對磁鏈矢量進(jìn)行處理，即可得到低毛刺的轉子位置信號。
第四步：上位機軟件Motor-Expert 2.0
Motor-Expert 2.0軟件是PI公司針對其電機控制軟件設計的調試軟件，通過(guò)串口與目標控制器進(jìn)行數據交互，完成參數配置、命令設置、數據回傳等功能。
具體使用步驟如下：
-在下位機內燒寫(xiě)電機控制軟件
-連接通過(guò)USB連接下位機至PC
-點(diǎn)擊上位機菜單欄‘Connect’，在彈出的對話(huà)框中，選擇對應的串口號，只有選擇了正確的串口號，才能進(jìn)行后續的操作
-配置參數：
✔️點(diǎn)擊‘Configuration’
✔️‘Motor Configuration’，電機旋轉方向，順時(shí)針或者逆時(shí)針，看需求選擇
✔️‘Current Feedback’，逆變電路參數選擇，我使用的DER-870開(kāi)發(fā)板使用的器件為BRD1267，轉換電阻為10000 Ohm
✔️‘Motor Stall Monitoring’、‘Current Limit Monitoring’、‘Speed Limit Monitoring’等根據需要更改
✔️‘Motor Parameters’，根據實(shí)際填寫(xiě)母線(xiàn)電壓、電機電阻、電感
✔️點(diǎn)擊‘Phasing’，此頁(yè)面的參數對應電機的啟動(dòng)過(guò)程參數，當發(fā)現點(diǎn)擊無(wú)法啟動(dòng)，或者啟動(dòng)時(shí)過(guò)流，需調節此頁(yè)參
✔️電流重建、磁鏈觀(guān)測器的參數可暫時(shí)使用默認參數
✔️點(diǎn)擊‘Control’，分別進(jìn)行電流環(huán)的參數調節、轉速換參數調節，即可進(jìn)行電機的恒轉速控制。
-當電機可以較為穩定的運行后，點(diǎn)擊‘Vector Estimation’,我遇到的主要是‘Stator Manitude Regular’下的積分項‘KI’參數過(guò)大，導致最終計算結果角度偏差過(guò)大，D軸電流過(guò)大，體現出母線(xiàn)電流過(guò)大，我將‘KI’參數減小，‘KP’參數加大之后，轉速不變的情況下，母線(xiàn)電流大幅度減小。
在電機實(shí)際啟動(dòng)過(guò)程，先通過(guò)給定固定的矢量電流進(jìn)行相位對齊，此時(shí)電機會(huì )轉動(dòng)一個(gè)小角度，產(chǎn)生抖動(dòng)，這是此類(lèi)無(wú)感算法的特點(diǎn)。在電機開(kāi)環(huán)拖動(dòng)過(guò)程中，如果產(chǎn)生明顯抖動(dòng)，需要調整開(kāi)環(huán)拖動(dòng)期間的PWM占空比參數，有條件的，應通過(guò)測試設備實(shí)時(shí)監測電機轉速，對比設定的開(kāi)環(huán)拖動(dòng)參數，判斷開(kāi)環(huán)拖動(dòng)狀態(tài)下是否發(fā)生電機轉子磁場(chǎng)矢量與電磁矢量之間節拍不一致（PWM參數太小時(shí)，電機轉子轉速小于電磁矢量的轉速）。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，使其轉速環(huán)性能變軟。當閉環(huán)控制穩定之后，即可進(jìn)行轉速環(huán)指令的調整。
總結
本次測評，總體感受是上手很快，節約了很多時(shí)間。由于使用了官方Demo所使用的單片機開(kāi)發(fā)板，整個(gè)Demo順利運行起來(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，再連接上位機調參即可。由于我使用的電機電感比較小，所以在電流環(huán)的調節、磁鏈觀(guān)測器調節上占用了一定的時(shí)間。所收獲的經(jīng)驗就是理解軟件的基礎算法結構，有利于根據電機的運行狀況調節參數。
同時(shí)，由于PI BridgeSwitch™功率器件典型工作電壓為340V，電壓等級為400V，最大擊穿電壓為600V，故在市電下，經(jīng)過(guò)一級簡(jiǎn)單的整流濾波后，即可作為目標設備的功率供電，相比較傳統的方案，省去了DCDC電路，節省了成本。通過(guò)直接對市電進(jìn)行整流后，使用此套方案，即可用在風(fēng)扇、空調、油煙機等常見(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。
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(guān)測器，過(guò)于依賴(lài)反電動(dòng)勢，對于極低速狀態(tài)下，無(wú)法穩定運行，建議加入高頻注入觀(guān)測器、擴展卡爾曼觀(guān)測器等進(jìn)行低速區的過(guò)渡。此外，建議上位機提供二次開(kāi)發(fā)接口，作為子進(jìn)程運行在客戶(hù)的應用程序 |
