BLDC电机驱动MCU. 1
电机驱动架构... 2
方案... 2
框架... 2
芯片资源比较... 4
电机... 4
PWM与驱动算法... 5
PWM介绍... 5
算法&PWM调制方式... 6
电机应用... 10
测量三相电流... 11
电角度测量... 12
转子速度测量... 12
电机驱动应用公司研发人员访谈... 12
附录... 13
电机名词解释及公式... 13
PID介绍... 13
Clark变换&Park变换... 14
开源项目... 15
有峰、欧、中英等。TI、ST。
PWM模块和PWMT模块对照ST高级定时器和通用定时器的功能见笔者发表的相关功能CSDN博客:(1) PWM与PWMT_Yuule的博客-CSDN博客
详见附件采访记录
详见附件
iBLDC/BLDC的六步法&PMSM的FOC法综合.md at master · Staok/iBLDC (github.com)
一般电机驱动方案如下表所示，
根据上表的电机方案，
按照MCU硬件架构分类可分为两类，一类是带动，另一类是无驱动。
还有三种带驱动的详细划分，即GATE/3P3N/6N，下图为凌欧和邵峰MCU示例，
图 邵峰FU6832
图 凌欧LKS32MC066
图LKS32MC061
详见下表对比。因为每个芯片更多，只选择一些具有代表性的芯片MCU。
表1
| 所属公司 |
带驱动MCU |
不带驱动MCU |
备注 |
| CCORE |
CCM4201s |
||
| 峰岹 |
FU6831、FU6832 (3P3N) |
Gate/3P3N/6N都有，被选MCU正好是3P3N |
|
| 凌欧 |
LKS32MC066 (Gate) |
LKS32MC062 LKS32MC061 LKS32AT085（车规） |
虽无驱动，但有适用于电机驱动的相关接口,HALL接口等 |
| 中颖 |
SH33F2811 (Gate) |
SH32F205 SH79F2202A |
虽无驱动，但有算法SVPWM加速单元，QEI接口（正交编码器） |
| 灵动微 |
MM32SPIN422C MM32SPIN360C (Gate) |
MM32SPIN0280 |
|
| 华大 |
HC32M120 HC32M140 |
||
| 华芯微特 |
SWM190 SWM201 |
无驱动，有算法加速模块，QEI接口 |
|
| ST |
STSPIN32F0 （Gate） |
多种 |
顶端方案及算法库 |
| TI |
TMS320F28002x （DSP） |
顶尖方案和算法 |
|
| - |
- |
无MCU产品，为驱动类IC模块 |
详情见excel
电机种类非常丰富，可以按照工作电源种类、用途以及结构和工作原理划分，详情见下图，
图 电机分类
随着技术进步，目前主流技术是无刷电机，这里主要关注无刷直流电机BLDCM和永磁同步电机PMSM。
BLDCM与PMSM电机在基本架构上是相同的，他们都具有转子永磁体，定子绕组；且由转子与定子的相互作用产生电机转矩，根据右手螺旋定则，通过线圈绕组方向和电流方向可以判断线圈磁极方向，但在细节设计和控制上存在区别。
图 无刷电机结构转子定子（左9绕组3极对数电机）
BLDCM起初是用于替代有刷电机，自然的驱动方式也是方波控制，于是为了最大化利用其特性，电机转子会设计成有方波磁场的、径向距离相等的等厚磁铁。于是电机的反电动势会趋于梯形波。
PMSM以正弦波驱动，为了最大化正弦波利用率，电机磁场会被设计为正弦波磁场（这里我们不展开讨论气隙磁场、磁密谐波），反电动势也随之具有正弦性。
图 梯形波反电动势/正弦波反电动势
脉冲宽度调制，PWM调制方式有很多种，后续在<电机应用和算法>中关注电机控制中主流的三种即方波调制，SPWM和SVPWM。
普通的PWM，通过递增/递减计数器，可根据需求生成不同占空比的方波。
图 不同占空比PWM
互补PWM输出，一对互补PWM可输出两组占空比互补的方波，示例如下图，
图 互补输出PWM
图 带死区的互补PWM
可见附件或
图 三相逆变电路
利用霍尔值(每个电气周期6次变化)，改变UVW相电流流向，但同一霍尔值内电流流向不变，任何时刻只能一相的上桥和另一相的下桥导通，这种控制方式简单，但存在最大60度的转矩偏角，效率降低，同时会伴有转动噪音。
当然我们可以通过增加绕组和极对数来减小上述提到的60°颗粒感。
图 绕组6种磁场方向
图 HALL状态、PWM、三相反电动势、三相电流
这里PWM的驱动方式存在两种，1是互补设输出，2是单极输出，这就导致了在实际驱动BLDCM时存在几种斩波方式。
通过三角载波与调制波的比较，确定SPWM波形。其与SVPWM方式一样，是为了得到具有正弦规律变化的方波。
图 PWM等效正弦
但是SPWM调制方式在FOC磁场定向控制中不常用（实际上这是一种相电压控制方式），原因是SPWM要比SVPWM母线电压利用率低15%左右，见下图。
图 SVPWM与SPWM比较
图 控制流程
- 对电机三相电流进行采样得到 Ia,Ib,Ic
- 将Ia,Ib,Ic 经过 Clark变换 得到 Iα，Iβ
- 将Iα，Iβ经过Park变换得到Id,Iq
- 计算Id,Iq和其设定值Id_ref,Iq_ref的误差
- 将上述误差输入两个PID（只用到PI）控制器，得到输出的控制电压 Uq，Ud
- 将Uq，Ud进行反Park变换得到Uα，Uβ
- 用Uα，Uβ合成电压空间矢量，输入SVPWM模块进行调制，输出该时刻三个半桥的状态编码值（见下图表）
- 按照前面输出的编码值控制三相逆变器的MOS管开关，驱动电机
- 循环上述步骤
表 cba状态编码即相/线电压
三相逆变桥上半桥状态matlab仿真波形，详情见simulink模型<PMSM_FOC>
图 SVPWM上半桥仿真波形示例
在电机控制中，我们需要知道三个电机基本信息：1、三相电流；2、电角度；3、转子转速。
1、霍尔元件；2、电流互感器；3、采样电阻（低成本 电阻+运放，低端采样分三双单电阻采样）
1、磁编码器；2、霍尔元件；3、观测器
1、编码器；2、由电角度估算
图 三霍尔传感器测量三相电流
一般使用两个即可，通过KCL，Ia+Ib+Ic = 0，可以求解第三个相电流。
变压器)
图 电流互感器测量
图 低端电阻采样方式
一TI C2000MCU为例，通过霍尔传感器三个信号估算初始位置，然后通过旋转编码器的Z相同步信号，消除累计误差。解决这两个问题后，可以直接读取寄存器QPOSCNT寄存器的计数来确定任意时刻的绝对位置。
图 旋转编码器结构及信号输出
通过两种方式计算转速，
1 固定时间，测量脉冲数。
2 固定脉冲，数测量所需时间。
详情见
赛亿：主频100M左右，eflash一般的不会超过256KB，sram一般在32K左右；需要6路PWM（3组带死区和互补功能），3路ADC，3路比较器和3路放大器。
某公司：必要6路互补PWM，2路定时器/计数器，adc，2个amp，2个CMP
1 转矩：一种力矩，电机中又可称扭矩，单位 N·m
公式 转矩T = F · r （力 × 力臂）
2 转速：电机每分钟转圈数，单位 r/min。
力臂上某点的速度：V = ω · r ( 角速度 × 某点力臂)，单位 rad/s。弧度制V 与转速N 的相互转化：ω = （2pi / 60）· N
3 功率：P = F·V = T·ω = a·T·N
4 绕组反电动势：源自感生电动势，即永磁体转动线圈的磁场产生变化，产生感应电动势。根据楞次定律（感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化）判断。
感生电动势，E = n·△Φ/△t
磁通量：Φ = B·S·cosθ（B是磁感应强度，S是线圈平面面积，θ是线圈平面法线与磁感应强度B的夹角）
5 载波比：mf为三角载波信号频率fc与正弦调制波信号频率f之比，即mf = fc / f
6 调制深度：mm为正弦调制信号幅值Vm与三角波信号幅值Vsm之比，即mm = Vm / Vsm
7 斩波：又称DC-DC变换，指将一数值的直流电压变为零一数值的直流电压。
图 PID控制框图
公式介绍：
图 连续公式
图 离散公式
Kp-------比例常数
Ki= (Kp*T)/Ti------积分常数
Kd=(Kp*Td)/T------微分常数
简化PMSM模型，使用禁止坐标系clark变换和同步旋转坐标Park变换
将自然坐标系abc变换到α-β坐标系
图 clark变换
变换公式如下：
写成矩阵：
注：上述公式没有考虑约束条件，若变换前后幅值不变需要乘上系数2/3；若变换前后功率不变，系数则为sqrt(2/3)
将静止坐标系α-β 换到同步旋转坐标系d-p
图 park变换
变换矩阵：
反park变换矩阵：
Git开源项目详情见：iBLDC/BLDC的六步法&PMSM的FOC法综合.md at master · Staok/iBLDC (github.com)
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