MM32 SPIN Series 在风机无传感器弦波驱动上的实现

在现今越来越强调环保节能的法规要求下, 新一世代的产品需要具备更高的高效性能, 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MM32 SPIN系列 32位微处理器开发的风机无位置传感器FOC弦波

驱动解决方案。以下表格为此方案所提供的电机驱动功能列表。

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, 并将此二个电源电压输出分别给予Gate driver IC, 及MM32 SPIN系列微处理器。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。 用户转动可变电阻旋钮(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电机将会关闭。 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), 并由此判断目前电机是在静止状态或是旋转中。若是在静止中则可以经过初始位置侦测得知转子位置后, 启动电机运转。 若电机是在旋转中, 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, 之后才能据此数据启动电机。

电机启动后, 将会透过运算放大器量测后得知三相的相电流 Ia, Ib, Ic, 并将此信息经过坐标轴的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

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

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, 目的是要能够个别的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) 的坐标系统转换为2轴 ( 坐标系统, 并将 轴对齐三相坐标轴的a轴。

图3. Clarke坐标轴转换及其方程式

Park 坐标转换(图4) ：

Park坐标轴转换目的是将静态的2轴 ( 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 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

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( 坐标系统。

图5. 逆变换Park坐标转换及其方程式

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(请参考图6), 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

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MM32 SPIN05PF 32位微处理器, 并藉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)

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)

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, MM32 SPIN 系列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。