本人長期從事新能源汽車主驅(qū)電機的軟件開發(fā)工作，專注于擴展卡爾曼觀測器、高頻注入等針對電機各項參數(shù)的識別算法的研究，對市面上各個廠商的電驅(qū)方案都有所了解。本篇文章，我們將對Power Integrations（以下簡稱PI）公司電機控制軟件開發(fā)套件進行測評，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?qū)崿F(xiàn)400V電壓平臺下的中小功率無刷電機驅(qū)動，適用于家用或商用的空調(diào)、風(fēng)扇等，具有很廣闊的應(yīng)用場景。同時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。下面我們將開始具體測評。
針對文中出現(xiàn)的縮略詞，為避免歧義，在此提前聲明：
開發(fā)套件功能一覽
首先，我們來看看本次測評對象PI電機控制軟件開發(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語言應(yīng)用程序、庫及控制GUI的軟件，使用BridgeSwitch™無刷直流（BLDC）電機驅(qū)動器IC的設(shè)計人員，借助該軟件可對三相電機的運行性能進行精確的控制和調(diào)整。其與電機控制庫的通信協(xié)議是公開的，用戶在產(chǎn)品開發(fā)過程中可使用該上位機進行調(diào)試。根據(jù)說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(shù)設(shè)置、電機控制指令設(shè)置、數(shù)據(jù)波形顯示（同一時刻最多四個信號）、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(jù)說明文檔，能夠整理發(fā)現(xiàn)該軟件庫具備以下功能：
-高可配置性，包括在運行過程中也可以進行配置，突出一個“靈活”
-速度環(huán)控制、扭矩環(huán)（電流環(huán)）控制
-通過使用BridgeSwitch™功率器件，對三相電流進行重建，實現(xiàn)三相無刷電機無感矢量控制
-支持BridgeSwitch™功率器件的錯誤總線功能。錯誤總線使用單線通信，可使三組半橋通過同一根信號線連接至單片機，向單片機傳送半橋的四個級別的欠壓、過壓、半橋過熱、驅(qū)動狀態(tài)、過流等故障信息，該功能極大的減少了單片機引腳的使用，確實優(yōu)秀，本人第一次見功率器件及驅(qū)動以總線形式傳遞故障信息
-對功率器件的監(jiān)控、保護
-數(shù)據(jù)記錄、回放功能，方便系統(tǒng)狀態(tài)診斷和系統(tǒng)參數(shù)調(diào)試
-與上位機軟件的通信，方便進行電機控制和數(shù)據(jù)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(nèi)核，48MHz，所以對于大部分基于Cortex-M核的單片機都可使用，只是對于支持浮點計算的單片機，有點性能浪費；使用DAVE開發(fā)環(huán)境，編譯鏈為ARM-GCC，所以移植時需考慮編譯鏈匹配。
綜上所述，該電機控制庫具有完整的電機控制環(huán)路算法，在實際使用過程中，用戶只需要專注處理如下工作：單片機硬件適配、產(chǎn)品應(yīng)用層設(shè)計、產(chǎn)品參數(shù)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（單片機開發(fā)板）、DER-870（BridgeSwitch™器件評估板）構(gòu)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)）進行硬件適配。再使用上位機軟件Motor-Expert 2.0進行電機控制環(huán)的參數(shù)調(diào)優(yōu)。最后，使用上位機軟件對電機狀態(tài)、相關(guān)數(shù)據(jù)波形進行顯示展示。
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(shù)如下圖所示
可以看出，該半橋的電路極其簡單，只需在外圍配置電阻、電容即可正常工作。該評估板背側(cè)另有額外的電流采集電路，試用過程中下未使用，故未列出其原理。結(jié)合原理圖、參數(shù)、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(yīng)關(guān)系為400uA/A，電流信號轉(zhuǎn)電壓信號所使用的電阻值為10KΩ，對應(yīng)電壓信號為4V/A，該半橋最大輸出電流為0.7A，對應(yīng)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(dāng)該PWM信號為低時，對應(yīng)上的上橋臂導(dǎo)通；器件ID，逆變橋使用三個半橋功率器件，該三個半橋使用同一根FAULT_BUS信號與微控制器通信，因此需要設(shè)置每個半橋的通信識別ID，通過將半橋功率器件的ID引腳分別：連接至BPL引腳、懸空、連接SG引腳共三種方式來設(shè)置三個ID，微控制器具有默認(rèn)的ID，因此無需設(shè)置。
2. XMC1400評估板
3. 連線：依據(jù)Demo文檔，接線關(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，讓我們來看看軟件部分。電機控制軟件Demo程序?qū)⒋a主要分為三層：硬件抽象層、電機控制算法層、電機控制應(yīng)用層。硬件抽象層包括錯誤總線驅(qū)動、PWM驅(qū)動、ADC驅(qū)動、UART驅(qū)動、GPIO驅(qū)動、看門狗驅(qū)動。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)觀測器、相電流重構(gòu)、電流環(huán)、錯誤總線監(jiān)控、狀態(tài)監(jiān)控。電機控制應(yīng)用層包括故障處理、電機控制、數(shù)據(jù)采集、與上位機軟件的通信。
第一步：電機啟動過程
此電機控制庫所使用的轉(zhuǎn)子位置觀測算法是基于磁鏈觀測算法，當(dāng)電機轉(zhuǎn)速過低、電流太�。ㄐ旁氡忍。⿻r，將導(dǎo)致觀測器無法穩(wěn)定閉環(huán)，故需要先將電機轉(zhuǎn)速開環(huán)條件下進行轉(zhuǎn)動，其啟動過程如下圖所示：
Bootstrap階段：在低成本的逆變電路中，對于逆變橋上橋臂的門級驅(qū)動普遍采用自舉電路，通過二極管、電容來維持上橋臂開通時所需要的的門級電壓。在上圖的Bootstrap階段，當(dāng)?shù)谝粋�半橋的上橋臂關(guān)斷、下橋臂開通時，通過二極管對自舉電容充電，使得上橋臂在下一個PWM周期內(nèi)可以正常工作。
Alignment階段：此階段，通過給定一個方向恒定的電磁場，強行拉動電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到該角度附近。
Alignment De-energize階段：上一階段后的一段空閑時間，猜測是用于等待轉(zhuǎn)子穩(wěn)定下來。
Sensorless Startup階段：此階段通過開環(huán)拖動，使電機轉(zhuǎn)速逐漸提高至設(shè)定的轉(zhuǎn)速值。
Open-Loop階段：控制器輸出固定的占空比信號，使電機轉(zhuǎn)速逐漸穩(wěn)定下來，預(yù)設(shè)置觀測器，用于下一階段的閉環(huán)控制。
Closed-Loop階段：基于上一階段的穩(wěn)定運行，使用磁鏈觀測的方法，進行電機轉(zhuǎn)子角度、轉(zhuǎn)速的閉環(huán)觀測、電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)、應(yīng)用層等的正常運行。
第二步：電機磁鏈觀測器
磁鏈觀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，為電機的反電動勢+電機電感的電壓，通過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(zhuǎn)子的磁鏈。由此可以看出，當(dāng)電機轉(zhuǎn)速過小，將導(dǎo)致反電動勢過小，信噪比過小，影響觀測效果。同時可以看出，電機電感、電阻、永磁體磁鏈等參數(shù)也將影響觀測器的結(jié)果的準(zhǔn)確性。
第三步：電機轉(zhuǎn)子位置觀測器
理論上，當(dāng)?shù)玫睫D(zhuǎn)子的磁鏈?zhǔn)噶繒r，即可通過arctan()函數(shù)計算出電機轉(zhuǎn)子位置，但是實際中此方法計算得到的電機角度紋波毛刺過大，后需一個低通濾波器。此電機控制庫使用正交鎖相環(huán)QPLL對磁鏈?zhǔn)噶窟M行處理，即可得到低毛刺的轉(zhuǎn)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(shè)計的調(diào)試軟件，通過串口與目標(biāo)控制器進行數(shù)據(jù)交互，完成參數(shù)配置、命令設(shè)置、數(shù)據(jù)回傳等功能。
具體使用步驟如下：
-在下位機內(nèi)燒寫電機控制軟件
-連接通過USB連接下位機至PC
-點擊上位機菜單欄‘Connect’，在彈出的對話框中，選擇對應(yīng)的串口號，只有選擇了正確的串口號，才能進行后續(xù)的操作
-配置參數(shù)：
✔️點擊‘Configuration’
✔️‘Motor Configuration’，電機旋轉(zhuǎn)方向，順時針或者逆時針，看需求選擇
✔️‘Current Feedback’，逆變電路參數(shù)選擇，我使用的DER-870開發(fā)板使用的器件為BRD1267，轉(zhuǎn)換電阻為10000 Ohm
✔️‘Motor Stall Monitoring’、‘Current Limit Monitoring’、‘Speed Limit Monitoring’等根據(jù)需要更改
✔️‘Motor Parameters’，根據(jù)實際填寫母線電壓、電機電阻、電感
✔️點擊‘Phasing’，此頁面的參數(shù)對應(yīng)電機的啟動過程參數(shù)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)點擊無法啟動，或者啟動時過流，需調(diào)節(jié)此頁參
✔️電流重建、磁鏈觀測器的參數(shù)可暫時使用默認(rèn)參數(shù)
✔️點擊‘Control’，分別進行電流環(huán)的參數(shù)調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)速換參數(shù)調(diào)節(jié)，即可進行電機的恒轉(zhuǎn)速控制。
-當(dāng)電機可以較為穩(wěn)定的運行后，點擊‘Vector Estimation’,我遇到的主要是‘Stator Manitude Regular’下的積分項‘KI’參數(shù)過大，導(dǎo)致最終計算結(jié)果角度偏差過大，D軸電流過大，體現(xiàn)出母線電流過大，我將‘KI’參數(shù)減小，‘KP’參數(shù)加大之后，轉(zhuǎn)速不變的情況下，母線電流大幅度減小。
在電機實際啟動過程，先通過給定固定的矢量電流進行相位對齊，此時電機會轉(zhuǎn)動一個小角度，產(chǎn)生抖動，這是此類無感算法的特點。在電機開環(huán)拖動過程中，如果產(chǎn)生明顯抖動，需要調(diào)整開環(huán)拖動期間的PWM占空比參數(shù)，有條件的，應(yīng)通過測試設(shè)備實時監(jiān)測電機轉(zhuǎn)速，對比設(shè)定的開環(huán)拖動參數(shù)，判斷開環(huán)拖動狀態(tài)下是否發(fā)生電機轉(zhuǎn)子磁場矢量與電磁矢量之間節(jié)拍不一致（PWM參數(shù)太小時，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速小于電磁矢量的轉(zhuǎn)速）。在開環(huán)狀態(tài)到閉環(huán)狀態(tài)，此時容易產(chǎn)生振動，需要減弱速度環(huán)的PI參數(shù)，使其轉(zhuǎn)速環(huán)性能變軟。當(dāng)閉環(huán)控制穩(wěn)定之后，即可進行轉(zhuǎn)速環(huán)指令的調(diào)整。
總結(jié)
本次測評，總體感受是上手很快，節(jié)約了很多時間。由于使用了官方Demo所使用的單片機開發(fā)板，整個Demo順利運行起來還是比較簡單，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(diào)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(diào)節(jié)、磁鏈觀測器調(diào)節(jié)上占用了一定的時間。所收獲的經(jīng)驗就是理解軟件的基礎(chǔ)算法結(jié)構(gòu)，有利于根據(jù)電機的運行狀況調(diào)節(jié)參數(shù)。
同時，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)過一級簡單的整流濾波后，即可作為目標(biāo)設(shè)備的功率供電，相比較傳統(tǒng)的方案，省去了DCDC電路，節(jié)省了成本。通過直接對市電進行整流后，使用此套方案，即可用在風(fēng)扇、空調(diào)、油煙機等常見的家用電器之中，在產(chǎn)品尺寸、成本等方面都具有明顯的優(yōu)勢。
同時，也有一些建議，以期待更好的提升。由于基于磁鏈的觀測器，過于依賴反電動勢，對于極低速狀態(tài)下，無法穩(wěn)定運行，建議加入高頻注入觀測器、擴展卡爾曼觀測器等進行低速區(qū)的過渡。此外，建議上位機提供二次開發(fā)接口，作為子進程運行在客戶的應(yīng)用程序 |
