基于MM32SPIN電機/電源專用芯片的無傳感弦波驅(qū)動應(yīng)用方案——手持式吸塵器
1. 簡介在生活水平高度現(xiàn)代化的今天，吸塵器已經(jīng)成了清潔家庭的智慧家庭必備小家電。吸塵器是利用電機高速運轉(zhuǎn)，形成空氣負(fù)壓，使塵箱內(nèi)局部真空，從而吸附塵屑這一運作原理完成清掃的一種現(xiàn)代清潔工具。主要由起塵、吸塵、濾塵三部分組成。本文簡單介紹基于MM32SPIN25的無傳感弦波驅(qū)動技術(shù)于“手持式吸塵器”的應(yīng)用實例。
方案特色:
ARM Cortex-M0高性能電機驅(qū)動專用芯片
主頻高達96MHz
內(nèi)建32位硬件除法器
內(nèi)建多組比較器和運放
180度無傳感弦波驅(qū)動
電機轉(zhuǎn)速可達100000rpm (2極電機)
速度命令輸入可為模擬電壓或PWM信號, 並可由FG反饋實際轉(zhuǎn)速
定轉(zhuǎn)速或恒功率運轉(zhuǎn)
支持多種數(shù)據(jù)通信接口：UART \ IIC \ SPI
完整的保護機制: 過流保護、過壓保護、欠壓保護、過溫保護、堵轉(zhuǎn)保護、進風(fēng)口堵塞保護
圖1. 左圖:常見的25.2V/380W手持式吸塵器電機;
右圖:采用MM32SPIN25PF之驅(qū)動板
2. 無傳感弦波驅(qū)動技術(shù)原理
于此介紹無傳感弦波驅(qū)動的技術(shù)原理與實現(xiàn)方法.
下圖2為弦波磁場導(dǎo)向驅(qū)動電機控制框圖。流程一開始是由外部輸入訊號讀取目標(biāo)速度命令, 經(jīng)過閉回路加速度斜率控制器運算后, 得到可提供速度PI控制器的速度命令,接著用此速度命令與反饋的實際速度, 經(jīng)由PI 控制器計算之后產(chǎn)生力矩電流命令I(lǐng)q。
磁場導(dǎo)向控制器(FOC)功能方塊接收到此力矩電流命令及電機的估測角度后, 經(jīng)過三相電流的反饋、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、 電流環(huán)PI計算、及空間矢量調(diào)制(SVPWM)等法則運算, 由此獲得要逼近目標(biāo)轉(zhuǎn)速所需求的三相PWM占空比數(shù)據(jù), 之后將此數(shù)據(jù)產(chǎn)生PWM輸出給予外部的電力驅(qū)動組件, 以此驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。
在磁場導(dǎo)向控制器功能方塊產(chǎn)生PWM 訊號的過程中, 滑模估測器(SMO)功能方塊負(fù)責(zé)產(chǎn)生電機運轉(zhuǎn)所需要的估測角度及速度。
圖2. 無傳感弦波磁場導(dǎo)向(FOC)軟件控制框圖
下圖3為滑模角度估測系統(tǒng)細(xì)部的框圖, 滑模角度估測器由四個主要功能方塊所組成。首先由電流估測器產(chǎn)生估測電流, 并用此估測電流與量測的實際電流Ialfa, Ibeta的差值, 經(jīng)過bang-bang 控制與低通濾波功能方塊運算后, 產(chǎn)生估測的BEMF電壓值Ealfa, Ebeta, 將此估測的電壓值經(jīng)過反正切的計算后即可得到估測的轉(zhuǎn)子角度。
圖3. 滑模估測(SMO)轉(zhuǎn)子角度估測軟件控制框圖
本方案的磁場導(dǎo)向控制(FOC)主要有三個坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計算, Clarke轉(zhuǎn)換、Park轉(zhuǎn)換及逆變換Park轉(zhuǎn)換, 目的是要能夠控制電機的磁場電流Id及力矩電流Iq, 以實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)速控制。這個理論是由F. Blaschke 在1972年所提出的。
Clarke 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換：
目的是將三相電流的三軸(a, b, c)坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為2軸坐標(biāo)系統(tǒng)。以下算式為Clarke 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方程式。
圖4. Clarke 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及其方程式
Park 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換：
將靜態(tài)的2軸坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為電機同步旋轉(zhuǎn)的2軸(d, q)坐標(biāo)系統(tǒng)。d軸表轉(zhuǎn)子磁通電流方向及大小, q軸表力矩電流。以下算式為Park 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方程式。
圖5. Park 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及其方程式
逆變換Park 的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換：
將電機同步旋轉(zhuǎn)的2軸(d, q)坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換回靜態(tài)的2軸坐標(biāo)系統(tǒng)。以下算式為逆變換Park的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方程式。
圖6. 逆變換Park 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及其方程式
3. 硬件設(shè)計
MM32SPIN25PF內(nèi)建的比較器和運放,簡化了電機驅(qū)動板的設(shè)計.手持式吸塵器電機驅(qū)動板的參考原理圖如下:
圖7. 基于MM32SPIN25PF的手持式吸塵器
電機驅(qū)動板原理圖
4. 弦波驅(qū)動的相電流波形
本應(yīng)用案例采用180度弦波驅(qū)動,在300W運轉(zhuǎn)下的相電流波形如下:
圖8. 300W運轉(zhuǎn)下的弦波相電流波形
堵住進風(fēng)口時的轉(zhuǎn)速可達100000rpm,弦波相電流波形如下:
圖9. 進風(fēng)口堵塞時的相電流波形
5. 結(jié)論
MM32SPIN25PF是靈動微電子推出的高性能電機驅(qū)動專用芯片，高達96MHz的主頻及32位硬件除法器能滿足無傳感磁場導(dǎo)向(FOC)弦波算法的高速運算需求。其內(nèi)建的比較器和運放，更大大地簡化了電機驅(qū)動板的設(shè)計，減少了整套方案BOM成本，給客戶提供超具競爭力的方案。
編輯：ls 最后修改時間：2022-06-10
