在國防、工業(yè)和機器人行業(yè)中，許多應(yīng)用都需要使用嵌入式系統(tǒng)來控制直流無刷 (BLDC) 電機。帶動電機旋轉(zhuǎn)看似微不足道，可是一旦涉及到電機轉(zhuǎn)速、扭矩、電氣特性和電磁特性以及電流反饋測量，這就成了相當(dāng)復(fù)雜的問題，并且可能會拖慢項目進度。
這就要求開發(fā)人員選擇適當(dāng)?shù)挠布磉\行驅(qū)動電機的算法，從而以最少的元器件數(shù)量，在應(yīng)用的整個運動范圍內(nèi)都可以平穩(wěn)順暢地控制電機。
我們需要的正是一條捷徑，即某種一體化軟硬件組合包，可以顯著縮短開發(fā)時間，使開發(fā)人員專注于最終應(yīng)用，而無需深入了解電機控制的精妙之處。
本文將介紹一個 Texas Instruments 推出的類似組合包，結(jié)合該公司的微控制器和開發(fā)套件硬件與 InstaSPIN? 磁場定向電機控制軟件和工具。此外，還將說明經(jīng)驗尚淺的開發(fā)人員如何使用該組合，在一小時內(nèi)輕松確定電機參數(shù)并啟動復(fù)雜的 BLDC 電機。
什么是 InstaSPIN-FOC，當(dāng)真易于使用嗎？
Texas Instruments 的 InstaSPIN 解決方案獨特之處在于，即使開發(fā)人員對此毫無經(jīng)驗，也可以在一小時內(nèi)啟動電機。事實上，開發(fā)人員只要使用過該解決方案，那么下一次只需不到十分鐘即可啟動并運行電機。此外，該套件使用磁場定向控制 (FOC) 取代編碼器，因此開發(fā)人員只需連接電機電源和接地以及電機的各相，那么便在電氣上準(zhǔn)備就緒，而無需編碼器或其他復(fù)雜的電子設(shè)備。
當(dāng)然，除 FOC 外，反電動勢過零定時電路等其他控制機制也不使用傳感器或編碼器。不過，InstaSPIN 可以監(jiān)控電機的磁通量，從而確定電機換向的時間。開發(fā)人員可以通過繪圖窗口監(jiān)控磁通信號，并設(shè)置“磁通閾值”滑塊以指定電機換向發(fā)生的磁通水平。通過監(jiān)控所顯示的相電壓和電流波形，可以驗證最佳換向。
InstaSPIN-FOC 解決方案共包含四個主要部分：
智能微控制器板用于運行 FOC 算法，指定電機驅(qū)動器何時導(dǎo)通和斷開不同的電機相位，并處理與 GUI 的通信。開發(fā)人員可以通過 GUI 查看磁通水平和其他參數(shù)。電機驅(qū)動器提供驅(qū)動實際電機的接口，所含的電路功能包括：保護微控制器免受高壓沖擊、測量以及檢測電機故障。
InstaSPIN-FOC GUI 是通用 GUI，可在 Texas Instruments 的在線開發(fā)庫中找到。開發(fā)人員可以直接通過 Web 瀏覽器運行 GUI，也可以將可執(zhí)行版本下載至計算機本地。
最后一項則是三相永磁直流無刷電機。
我們將詳細研究上述各個部分，并探討一個啟動和運行 BLDC 電機的可行硬件解決方案。
BLDC 電機驅(qū)動器和微控制器
開發(fā)人員可以選擇幾種不同的解決方案來驅(qū)動 BLDC 電機，因此無需費心四處查找：TI 的 InstaSPIN-FOC 和 MotorControl SDK 與該公司的 LAUNCHXL-F280049C TMS320F280049C LaunchPad（圖 1）和 BOOSTXL-DRV8323RS LaunchPad 補充包配合使用。TMS320F28049C LaunchPad 是一款低成本開發(fā)板，包括板載 XDS110 調(diào)試器、擴展排針和 F280049CPMS TMS320F280049C Piccolo? 微控制器。
圖 1：TMS320F280049C LaunchPad 包括隔離式 USB XDS110 調(diào)試探頭、F280049C Piccolo 微控制器，以及可為兩個補充包供電的電子元件。補充包可用于特定應(yīng)用的硬件。（圖片來源：Texas Instruments）
TMS320F280049C 微控制器使用 C2000 微控制器內(nèi)核，包括 256 KB 的閃存和 100 KB 的 RAM，工作頻率為 100 MHz。TMS320F280049C 的 ROM 中內(nèi)置了 TI 的 FOC 電機控制算法，因而開發(fā)人員無需浪費寶貴的代碼空間。
TMS320F280049C LaunchPad 并非開發(fā)人員使用 TMS320F280049C 微控制器的唯一方式。此外，還可以使用 TMS320F280049C 微控制器的 TMDSCNCD280049C 控制卡（圖 2）。該控制卡可用于原型開發(fā)階段，也適用于開發(fā)人員希望靈活更換應(yīng)用所使用的微控制器或增強可擴展性的情況。控制卡可插入塢站使用，使開發(fā)人員可以訪問微控制器 I/O。
圖 2：TMS320F280049C 控制卡采用小型模塊封裝，提供電機控制功能，可與塢站配合使用以訪問微控制器的 I/O。（圖片來源：Texas Instruments）
DRV8323RS LaunchPad 補充包是可安插在 TMS320F280049C LaunchPad 上方的擴展板，以添加驅(qū)動 BLDC 電機所需的其他硬件（圖 3）。
圖 3：DRV8323RS LaunchPad 補充包包括電機驅(qū)動控制器、FET 和用于驅(qū)動 BLDC 電機的其他電路。（圖片來源：Texas Instruments）
DRV8232RS 擴展板可安插在擴展區(qū)域位置 1 或位置 2，不過位置 1 正是 MotorControl SDK 示例連接的位置。開發(fā)人員可以使用三端子連接器將 BLDC 電機接至電路板，并為電路板提供外部電源以驅(qū)動電機。DRV8232RS LaunchPad 補充包也可為 TMS320F280049C 開發(fā)板供電。該擴展板的 LED 可顯示通電狀態(tài)和故障檢測。
DRV8232RS LaunchPad 補充包的核心是 DRV8230 三相智能柵極驅(qū)動器。該柵極驅(qū)動器可提供低端電流檢測，并能直接驅(qū)動額定工作電壓高達 60 V 的 MOSFET。
借助 TMS320F280049C LaunchPad 和 DRV8232RS LaunchPad 補充包，開發(fā)人員可以驅(qū)動各種 BLDC 電機。Trinamic 推出的 QBL4208-41-04-006 是一款相當(dāng)合適的入門級電機（圖 4）。
Trinamic 電機使用 24 V 電源供電，轉(zhuǎn)速高達 4000 RPM，扭矩達 62.5 mNm。
圖 4：Trinamic 的 QBL4208-41-04-006 4000 RPM BLDC 電機使用 24 V 電源供電，扭矩達 62.5 mNm。（圖片來源：Trinamic Motion Control GmbH）
上文已經(jīng)列出開發(fā)人員著手 BLDC 電機控制所需的最精簡物料，下一步則要考慮如何使用 InstaSPIN-FOC GUI 識別電機參數(shù)。
識別 BLDC 電機參數(shù)并運行電機
使用 InstaSPIN-FOC GUI 驅(qū)動電機前，系統(tǒng)需要先了解電機特性，以便對速度或扭矩進行 FOC 控制。為此，算法需要收集以下特性信息：
InstaSPIN-FOC GUI 只需數(shù)分鐘就能自動識別這些特性。GUI 可以在瀏覽器中執(zhí)行，并默認加載專門與 TMS320F280049C 和 DRV8232 擴展板配合使用的 MotorControl SDK 實驗室 5。實驗室 5 專用于向開發(fā)人員演示如何識別電機并獲取其參數(shù)。欲了解詳細信息，可查閱 GUI 快速入門指南和實驗室手冊。
首先，開發(fā)人員需要通過 TI 開發(fā)人員網(wǎng)站打開 InstaSPIN-FOC GUI。然后，在 GUI 環(huán)境下，可以找到一個與其他開發(fā) IDE 類似的運行按鈕。單擊此按鈕可將電機識別碼下載至 LaunchPad 并嘗試執(zhí)行。
一開始可能毫無反應(yīng)，因為開發(fā)人員必須啟用該軟件，即選中 GUI 中的 "Enable System"（啟用系統(tǒng)）復(fù)選框。此時，電機識別碼仍然無法運行，因為還需要選中 "Run"（運行）復(fù)選框。啟用 "Run"（運行）后，代碼就開始執(zhí)行識別電機的序列，并且進行必要的測量以獲得運行電機所需的參數(shù)。整個識別過程將持續(xù)數(shù)分鐘，在此期間電機將加速旋轉(zhuǎn)，然后減速旋轉(zhuǎn)，并以慢速運行幾分鐘。
這一過程完成后，開發(fā)人員就可以在 GUI 上看到如圖 5 所示的界面。
圖 5：完成電機識別后的 InstaSPIN-FOC GUI 界面。（圖片來源：Jacob Beningo）
請注意，在圖 5 中，GUI 右上角的多個參數(shù)已填入數(shù)值。這些是須記錄的電機參數(shù)，以便稍后在扭矩或速度模式下用于驅(qū)動電機。此外，您還可以注意到界面左側(cè)的 "Motor Identified"（電機已識別）指示燈已由灰色變?yōu)榫G色。此時，就可以直接通過 GUI 來控制電機轉(zhuǎn)速。
只需更改 GUI 上 "speedRef(Hz)"（轉(zhuǎn)速設(shè)定值）框中的數(shù)值即可控制電機轉(zhuǎn)速。請注意，通過這一參考值來控制電機加速相當(dāng)快捷。相比之下，減速則需要輸入多個轉(zhuǎn)速設(shè)定值才能實現(xiàn)，輸入的轉(zhuǎn)速需逐次遞減。只需取消選中 "Run"（運行）復(fù)選框，即可完全停止電機。
使用 TI 的 InstaSPIN-FOC 控制 BLDC 電機的技巧與訣竅
開發(fā)人員使用 BLDC 電機和 TI 的 InstaSPIN-FOC 解決方案時，可以考慮以下幾個最佳實踐：
選擇內(nèi)部閃存內(nèi)置了電機算法的微控制器，以此可節(jié)省用于電機算法的代碼空間，并且可以在執(zhí)行時進行性能提升。
使用 F280049C LaunchPad 的位置 1 作為 DRV8323RS LaunchPad 補充包的默認位，若使用位置 2 將需要對軟件進行更新。
花時間瀏覽 TI MotorControl SDK 中提供的所有 13 個樣例實驗室。這些實驗室涵蓋了從識別電機參數(shù)到通過控制速度和轉(zhuǎn)矩來控制電機所需的所有內(nèi)容。
使用樣例實驗室 5 來識別電機參數(shù)。如果使用 MOTOR_TYPE_PM，請確保還需添加以下定義，以便成功編譯實驗室，并使用調(diào)整后的數(shù)值：
define #define USER_MOTOR_INERTIA_Kgm2 (7.06154e-06)
通過 InstaSPIN-FOC 在線 GUI 啟動 BLDC 實驗。
結(jié)語
驅(qū)動 BLDC 電機進行扭矩或速度控制可能是個相當(dāng)復(fù)雜的問題，很有可能會超出嵌入式軟件工程師的知識范疇，從而拖慢項目開發(fā)進度。如上所述，借助 Texas Instruments 的 InstaSPIN 和 MotorControl SDK 及相關(guān)硬件，即使開發(fā)人員對控制工程所知甚少，也可輕松快速地啟動并運行 BLDC 電機。
