基于硬件FOC的无刷直流电机驱动器设计分析

基于硬件 FOC的无刷直流电机驱动器设计分析

张全义

惠州市艾美珈磁电技术股份有限公司 516006

摘要：由于现阶段所应用到的无刷直流电机驱动器存在着一定的问题，难以形成较好的控制效果，在实际应用过程当中会造成不稳定的现象，基于种种问题严重影响到了其应用效果，基于此硬件矢量（FOC）无刷直流电机驱动器应运而生，其主要是以TMC4671芯片为控制核心，通过电流对电路当中的相电流进行实施跟踪采集，能够保障相对较好的应用效果。

关键词：矢量控制；无刷直流电机；电机驱动

引言：相较于有刷直流电机而言，全新的无刷直流电机改变了以往的机械换向器应用效果，应用到更加智能化的电子换向器，不仅能够形成直流电机其所具有的有效调速功能，同时也能够相应的形成交流电机结构下的简单运维方式，在现阶段的社会当中应用于家用电器、电子等数码设备当中，并且应用到矢量控制效果能够形成更加良好的智能化控制效果，促使电机形成高效运行效果。

1 FOC工作原理

基于传统的无刷直流电机BLDC运行过程当中会受到不同的两个力，促使电机的转子在空间作用下形成平行电流I_D施加拉力，同时也会相应的产生在空间作用下的垂直电流I_Q形成的扭矩效果。其中，电机的转动需要借助于扭矩效果，但是相对的，拉力则阻碍了电机的正常运行。因此对于矢量控制效果下的闭环电流进行控制，促使拉力为0，控制力矩始终为实际所需数值状态。在FOC的核心理念下，对于电流的坐标进行调节，进而对扭矩与拉力进行控制，具体过程首先需要FOC确定电流矢量为三项定子电流，并计算出对应的矢量电压，结合差异性的坐标，在磁动势参数处于相一致的状态时，同时保障变换过程当中的功率始终保持不变状态，对Clark进行变换，进而将三坐标系转换成为两坐标系。在此基础上对矢量电流进行控制，并将其确定为两项定子电流，同样计算对应矢量电压。结合电机转子的实际运动方向，在变换Park的基础上，改变两坐标系的静置状态，形成旋转效果下的两坐标系。FOC的变换就是借助于Clark以及Park的共同变换作用，将三相电流转换为电流I_D与I_Q，基于这样的控制方式，能够对BLDC电机实施平滑控制效果，对电机其中的正弦波驱动进行控制，同时也能够避免电机驱动下由于速度过快造成的失控问题，形成更加高效的运行效果。

2 FOC相关参数

对电机中的三坐标系以及两坐标系进行转换，进而对电机当中的电流相数进行转换，仅仅需要对两相电流控制就能够对无刷直流电机实施有效的控制效果^[1]。因此，在这一过程当中，同时需要保障在原有的静态参数基础上增加相应的动态参数，其中静态参数主要是包括电机极对数以及编码器计数方向等，而动态参数则相应的包括了子线圈电流以及转子角度等。并且，同时在闭环电路当中的PI控制器当中，需要结合电机实际存在的电气参数对参数I与P进行调整。例如电机当中的电阻参数、电感数值以及供电电压等。作为在FOC定子磁场计算过程当中的基础条件，测量定子线圈电流参数能够表示在FOC中的电机转矩，这是由于定子磁场主要是基于电流在定子线圈附近流过而产生的磁场现象。并且，电机转矩常数一般情况下同样是决定电机转矩的关键性参数，在磁场与转子的实际运转方向当中对转矩方向进行确定。

3 硬件FOC

TMC4761芯片是硬件FOC中的完全集成控制器，在其中不仅存在着基于完整状态下的控制回路构架，同时也容纳了基于通讯需求下产生的外围接口以及信号接口，其中信号接口的实际作用主要是基于对电流以及电压等参数测量后的有效反馈通道，并负载着部分附加引脚。硬件FOC呈现出模块化效果，因此能够对电机当中的各项关键性任务负责，能够实时控制矢量状态，同时分离电机当中的电流测量以及信号处理等子任务，与用户实际应用相区分，形成较为明确的简单任务目标。并且基于TMC4761芯片的内部结构实际情况来讲，其中构成部分较为复杂，包括了基于程序接口以及ADC通道、FOC转矩PI控制器等相关部分。其中ADC通道能够将全面采集而来的相关ADC数据等在电流控制环路当中以缩放的方式进行映射。并且FOC硬件能够搭建起所有基于FOC转矩PI控制器需求下的转换方式。相较于以往无刷直流电机当中的软件控制系统，基于FOC硬件构成的整体系统运行速度得到了提升的同时，保障了相对较好的环路速度控制效果。降低了以往系统当中所需的组件实际数量，并节约了pcb空间，能够达到高使用性能，并以相对为紧凑的尺寸解决以往在电机强制要求嵌入控制的问题。

4 驱动电路设计

结合笔者近年来在云鲸、shark、云视、乐生等客户公司的扫地机用直流无刷电机以及风机项目开发中的相关工作经验，对于硬件FOC状态下的无刷直流电机设计进行研究，其中关键性的就是对于驱动电路的设计，而在这其中，同时又分为不同的设计环节。

4.1设计整体结构

TMC4761芯片作为FOC硬件下的核心所在，因此形成的无刷直流电机驱动装置整体如图1 所示。需要应用到3.3V电流为硬件FOC芯片以及单片机、传感器等进行供电，其中编码器所需要的实际电压相对较大，需要5V电压，整体驱动电路决定了电机的实际功率，因此，MOSFET驱动电路以及MOSFET场效应管需要结合实际当中的不同应用环境，对应选择12~60V以内的电压条件。

图1 驱动器结构

在整体驱动结构当中的单片机需要就借助于SPI的通信方式与TMC4671芯片的寄存器进行连接，以初始化的编码器方向对电机极对数以及PI控制参数等进行设定。配合编码器以及电流传感器初始化原始参数。保障在相关的电路能够在正确的FOC控制回路当中形成高效运行方式。

4.2采集相电流

针对于无刷直流电机的三相电流来讲，仅仅需要对其中的两相电流进行的测定后就能够计算出另一相电流的实际数值^[2]。对于电流的测定方式存在两种，一种是基于电阻与差值的放大测量方式，应用到LT1999放大器进行测量，或是应用到电流传感器对电流进行测量，主要是基于霍尔效应下的测量方式，电流传感器的应用型号为ASC711。其中成本相对较低的测量方式就是应用到放大器侧量，但是相对来讲，如若在处于电压较高的环境中测量电流则需要应用到电流传感器的方式。

4.3MOSFET驱动电路

MOSFET三个半桥驱动电路形成了三相无刷直流电机下的驱动电路，电机当中的每一相与一个半桥电路相连接，进而形成了相对较为可靠的电路，并相应的保障在线路的外围存在着较少的元件，形成良好的驱动效果。连接一相电流的半桥驱动电路如图2表示，为了能够形成相对较好的运行效果，需要在电源VM处设定滤波电容，能够有效避免振铃与超调问题。并且在MOSFET栅极原有的基础上增加了电阻，保障干净可靠的驱动信号，形成更加紧凑的PCB布局，形成最小化的环路电感。

图2 半桥驱动电路

结束语：基于硬件FOC作用下形成的无刷直流电机，结合矢量控制的原理，设计全新的驱动装置，以更加简便的控制方式实现了对于电机驱动的高效应用，具有一定的参考与推广价值。

参考文献：

[1]王其军,杨坤,苏占彪,杨峰.基于硬件FOC的无刷直流电机驱动器设计[J].传感器与微系统,2021,40(06):89-91+94.

[2]范欣林.低功率永磁同步电机和无刷直流电机驱动器硬件设计[J].电子测试,2015(02):24-25+3.