基于FOC輪轂電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬前帥

（1．天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)工程實(shí)訓(xùn)中心，天津 300222；2．天津大學(xué)電氣自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，天津 300072）

常見移動(dòng)機(jī)器人的動(dòng)力裝置是由電機(jī)通過減速器驅(qū)動(dòng)車輪完成的，這種結(jié)構(gòu)具有機(jī)械傳遞效率低且對(duì)減速器依賴較大的特點(diǎn)。直驅(qū)式輪轂電機(jī)屬于直流無刷電機(jī)，具有高功率密度和高轉(zhuǎn)矩密度的特點(diǎn)[1]，其無減速機(jī)構(gòu)，簡化了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，使得體積減小、質(zhì)量減輕、響應(yīng)速度加快，提高了傳動(dòng)效率，且電機(jī)壽命長、易維護(hù)。輪轂電機(jī)受其本身結(jié)構(gòu)和控制方法的影響存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的問題，可以從優(yōu)化電機(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和控制策略兩方面對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)進(jìn)行抑制，文獻(xiàn)[2-7]給出了多種控制方法抑制無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，其中矢量控制（field oriented control，F(xiàn)OC）可以改變控制策略，抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，效果較佳。從理論角度講，F(xiàn)OC對(duì)于輪轂電機(jī)的控制能減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，降低電機(jī)運(yùn)行時(shí)的噪音與振動(dòng)[8]，提高電機(jī)的能效和動(dòng)態(tài)性能。典型的FOC算法包含角度位置估計(jì)、Clarke變換、Park變換、PID、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、SVPWM、低通濾波、常量乘、三角函數(shù)正余弦等運(yùn)算[9]，對(duì)于通用的嵌入式系統(tǒng)會(huì)占用大量的系統(tǒng)資源，影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。本設(shè)計(jì)利用硬件FOC實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的三閉環(huán)和FOC等底層驅(qū)動(dòng)和中間的算法控制，利用嵌入式控制器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用層的設(shè)計(jì)開發(fā)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，縮短了開發(fā)周期，降低了開發(fā)難度。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。設(shè)計(jì)采用STM32F103RBT6作為主控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件FOC的系統(tǒng)控制與外部的通信功能；硬件FOC采用TMC4671芯片，通過功率單元驅(qū)動(dòng)輪轂電機(jī)，檢測相電流和磁編碼器用于FOC算法控制，相電流經(jīng)過Clarke和Park提供轉(zhuǎn)矩電流和磁通電流，磁編碼器為FOC算法中的Park逆變換提供精確的轉(zhuǎn)子瞬時(shí)位置，同時(shí)能夠?qū)β蕟卧腗OS管和電機(jī)本體的溫度進(jìn)行檢測。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

硬件電路包括嵌入式單元、功率電路、電流采樣電路、系統(tǒng)電壓及溫度采樣電路、磁編碼器接口電路和FOC外圍電路。

1.1 嵌入式單元

嵌入式單元選用基于ARM CortexR-M3內(nèi)核的STM32F103RBT6芯片，以STM32CubeIDE為編譯系統(tǒng)，ST-LINK仿真器為平臺(tái)，利用C語言設(shè)計(jì)程序[3]。STM32作為市面上主流的32位的單片機(jī)具有系統(tǒng)資源豐富，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，市場占有率高的特點(diǎn)，且系統(tǒng)開發(fā)資料和案例較多，降低了開發(fā)的難度。嵌入式單元包括STM32最小系統(tǒng)，外接高速CAN收發(fā)器和RS485收發(fā)器，實(shí)現(xiàn)了CAN總線和485總線的通訊功能；預(yù)留外部按鍵和OLED顯示功能，方便后期更改參數(shù)和調(diào)試。

1.2 功率電路

功率電路由驅(qū)動(dòng)元件LM5109和功率元件BSC030N構(gòu)成，驅(qū)動(dòng)元件選用高電壓柵極驅(qū)動(dòng)器，用于輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)中可提高開關(guān)頻率，減小諧波電流，具有高速運(yùn)行、低功耗和欠壓鎖定保護(hù)的特點(diǎn)。功率元件選用MOSFET，具有漏極電流大、功率耗散小、內(nèi)阻低等特點(diǎn)；工作在較高開關(guān)頻率狀態(tài)時(shí)，能夠減少電機(jī)的損耗和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)；由于輸入電容小，降低了功率元件本身的開關(guān)損耗，設(shè)計(jì)中采用多個(gè)MOSFET并聯(lián)控制，在增大了輸出電流的前提下無需均流。工作中，驅(qū)動(dòng)元件負(fù)責(zé)將PWM控制信號(hào)調(diào)理放大，控制電路中具有開關(guān)功能的功率元件的導(dǎo)通與關(guān)斷，控制直流信號(hào)變成交流信號(hào)，在電機(jī)定子電樞內(nèi)產(chǎn)生圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)[10]。功率電路選用三相全橋逆變電路，通過SVPWM控制，回路中mΩ電阻用于檢測相電流。與SPWM相比較，采用SVPWM控制技術(shù)每一次開關(guān)切換僅涉及1個(gè)元件，開關(guān)損耗小，判斷電壓空間矢量所在位置通過計(jì)算可直接生成三相正弦波，降低了開關(guān)頻率，減少了輸出電流的諧波。

1.3 磁編碼電路

磁編碼器采用霍爾元件檢測旋轉(zhuǎn)角度的器件，安裝在輪轂電機(jī)內(nèi)部。磁編碼器不易受塵埃和結(jié)露影響，抗振能力強(qiáng)，可靠性高，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，無需復(fù)雜的光源和光學(xué)元件，易于實(shí)現(xiàn)小型化[11]。本設(shè)計(jì)中選用磁編碼器為FOC控制提供電機(jī)的電角度，同時(shí)為速度PI和位置PI控制提供反饋。電路中，在傳感器的信號(hào)輸出端外接靜電保護(hù)二極管，防止外部信號(hào)異常對(duì)硬件FOC芯片造成損壞。

1.4 電流采樣電路及計(jì)算

電流采樣電路利用mΩ電阻采集流過無刷電機(jī)的相電流IU和IW，利用三相電流的矢量和為0，計(jì)算相電流IW，計(jì)算式為

采用15 mΩ的電阻并聯(lián)作為采樣電阻，并聯(lián)阻值為7.5 mΩ，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的最大電流為10 A，經(jīng)過計(jì)算功率為0.75 W，計(jì)算式為

故選擇功率為1 W，阻值為15 mΩ的采樣電阻。

利用電流檢測放大器對(duì)采集的電流信號(hào)進(jìn)行EMI濾波和信號(hào)放大，AD8418的增益G為20 V/V，根據(jù)式（3）計(jì)算可得電機(jī)相電流0～10 A對(duì)應(yīng)輸出電壓為0～1.5 V。

1.5 電壓及溫度采樣電路

溫度采樣電路采用NTC（10 kΩ）熱敏電阻分別對(duì)功率元件和電機(jī)進(jìn)行溫度檢測，根據(jù)輸出電壓計(jì)算NTC阻值，再通過查表法求得溫度，檢測精度為±5%，可以防止設(shè)備因溫度過高而損壞。電壓采樣電路利用串聯(lián)分壓的原理對(duì)系統(tǒng)供電電源的電壓值進(jìn)行監(jiān)測。

1.6 FOC芯片

硬件FOC芯片集成了空間磁場矢量控制、轉(zhuǎn)矩控制、速度控制和位置控制等功能，支持外接霍爾編碼器、數(shù)字編碼器和模擬量編碼器，可通過SPI和USART方式對(duì)芯片內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置和對(duì)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩、速度和位置控制。FOC芯片工作時(shí)需要提供3.3 V和5 V的工作電壓、頻率為25 MHz的時(shí)鐘脈沖，外置高速SPI接口在控制器調(diào)試時(shí)方便監(jiān)控實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線，F(xiàn)OC芯片外圍原理圖如圖2所示。

圖2 FOC芯片工作原理圖

2 軟件設(shè)計(jì)及系統(tǒng)調(diào)試

2.1 FOC控制原理介紹

磁場定向控制（FOC）在電機(jī)控制中也稱為矢量控制，其工作的基本原理是將永磁直流無刷電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場軸作為給定的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸，然后對(duì)電機(jī)進(jìn)行分析、控制[12]。無刷直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場主要包括氣隙磁場、轉(zhuǎn)子磁場和定子磁場，考慮結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，目前主要選擇定子磁場作為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸。FOC控制的控制器包含轉(zhuǎn)矩控制器和磁通控制器，分別控制轉(zhuǎn)矩電流和磁通電流?？刂破鬏敵龅霓D(zhuǎn)矩和磁通電流經(jīng)過Pack和Clake變換轉(zhuǎn)換成相電流控制無刷電機(jī)，將采樣的電機(jī)相電流轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩電流和磁通電流參與到控制器的反饋部分。Clake變換是將ABC坐標(biāo)系到靜止α-β坐標(biāo)系中，Clake變換如圖5所示。

圖5中，ABC坐標(biāo)系中A軸與α軸重疊，β軸超前α軸90°，IA、IB、IC為三相電流，Iα和Iβ為α-β靜止軸上的電流，則IA+IB+IC=0，根據(jù)Clake變換的坐標(biāo)關(guān)系可得式（4）如下

圖5 Clake變換

Park變換是將兩相靜止直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為兩相旋轉(zhuǎn)直角坐標(biāo)系，Park變換如圖6所示。

圖6 Park變換

圖6中，dq坐標(biāo)系是以定子電流角頻率ωs的速度做逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，根據(jù)Park變換的坐標(biāo)關(guān)系可得式（5）為

磁通電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量二者完全解耦，能夠獲得類似直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能[13]。

2.2 FOC控制和三閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本設(shè)計(jì)采用磁編碼器對(duì)電機(jī)進(jìn)行位置檢測，為Pack變換和逆變換計(jì)算提供所需的電角度，為位置和速度PI控制器提供位置、速度反饋信號(hào)。FOC控制結(jié)構(gòu)圖中將交變的三相相電流IU、IV、IW通過Clake變換為兩相靜止坐標(biāo)下的電流Iα和Iβ，然后通過Pack變換，變換為轉(zhuǎn)矩電流和磁通電流，為轉(zhuǎn)矩和磁通PI控制器提供反饋信號(hào)。由于磁通電流產(chǎn)生的磁動(dòng)勢與轉(zhuǎn)子磁場平行，不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，故將磁通電流的目標(biāo)值設(shè)為數(shù)值0。由轉(zhuǎn)矩和磁通PI控制器產(chǎn)生的電動(dòng)勢Uq和Ud，經(jīng)過Pack逆變換變?yōu)殪o止的兩相正交電壓信號(hào)Uα和Uβ，再經(jīng)過Clarke逆變換生成三相交變的相電壓UU、UV、UW。通過SVPWM模塊計(jì)算PWM占空比，從而實(shí)現(xiàn)通過MOS通斷產(chǎn)生電機(jī)控制電壓[14]。三閉環(huán)控制系統(tǒng)中，通過轉(zhuǎn)矩環(huán)和磁通環(huán)PI控制器，根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩電流、目標(biāo)磁通電流對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁通進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩和零磁通控制；速度模式下，速度環(huán)作為轉(zhuǎn)矩環(huán)的外環(huán)，PI控制器控制速度恒定，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)，通過控制轉(zhuǎn)矩目標(biāo)值來控制轉(zhuǎn)速恒定；位置模式下，位置環(huán)作為速度環(huán)的外環(huán)，可設(shè)定加減速度和時(shí)間，運(yùn)行時(shí)電機(jī)先加速運(yùn)行到設(shè)定轉(zhuǎn)速，然后恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行，接近目標(biāo)時(shí)減速運(yùn)行到終點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了輪轂電機(jī)的位置、速度、轉(zhuǎn)矩三閉環(huán)控制，F(xiàn)OC控制結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

圖7 FOC控制結(jié)構(gòu)圖

2.3 通信方式及電機(jī)控制參數(shù)配置

嵌入式控制系統(tǒng)與硬件FOC芯片采用SPI方式通信，F(xiàn)OC芯片作為從站運(yùn)行，時(shí)鐘頻率高為1 MHz。通信的數(shù)據(jù)長度為40位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，其中最高位是讀寫位，1是寫入數(shù)據(jù)，0是讀取數(shù)據(jù)；后面7位二進(jìn)制表示地址位，包含127個(gè)寄存器地址，最后32位二進(jìn)制是數(shù)據(jù)位。

嵌入式控制系統(tǒng)需要對(duì)硬件FOC芯片內(nèi)部的寄存器進(jìn)行配置，主要包括電機(jī)控制、編碼器、上下限幅值、磁場、扭矩、速度、位置PI控制器和模式控制等參數(shù)配置。電機(jī)參數(shù)配置中電機(jī)類型選擇BLDC電機(jī)，經(jīng)過實(shí)測極對(duì)數(shù)為10，PWM的模式采用SVPWM。

編碼器參數(shù)配置中選擇正交編碼器模式，選擇的磁編碼器為MT6816，分辨率為1 024。上下限參數(shù)配置中需要對(duì)輸出的最大轉(zhuǎn)矩電壓和磁通電壓進(jìn)行限幅，對(duì)于輸入的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩、磁通、加速度、速度和位置也需進(jìn)行限幅，防止PID調(diào)試中出現(xiàn)飽和。磁場、扭矩、速度、位置PI控制器參數(shù)配置中的數(shù)值，需要在工況下進(jìn)行參數(shù)整定。模式控制及目標(biāo)值設(shè)定是在輪轂電機(jī)運(yùn)行時(shí)需要配置的參數(shù)，電機(jī)的運(yùn)動(dòng)模式主要包括停止模式、轉(zhuǎn)矩模式、速度模式和位置模式，可根據(jù)實(shí)際需求配置，然后再對(duì)需要的控制目標(biāo)值進(jìn)行配置。

2.4 控制器調(diào)試流程

輪轂電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器在使用之前，需要對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部控制器的參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，以達(dá)到最佳控制效果，調(diào)試流程如圖8所示。

圖8 驅(qū)動(dòng)器調(diào)試流程圖

系統(tǒng)在開環(huán)狀態(tài)下需對(duì)電機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)，設(shè)定初始速度、最終速度和采樣時(shí)間后進(jìn)行動(dòng)態(tài)階躍測試，辨識(shí)輪轂電機(jī)的阻值、電感量和系統(tǒng)的阻尼系數(shù)。同時(shí)，系統(tǒng)也會(huì)對(duì)磁通PI參數(shù)進(jìn)行開環(huán)識(shí)別，識(shí)別結(jié)束后將該參數(shù)寫入到控制系統(tǒng)。電機(jī)參數(shù)辨識(shí)結(jié)束后，將系統(tǒng)設(shè)定為磁通閉環(huán)模式，由于在開環(huán)模式下已經(jīng)對(duì)磁通PI控制器參數(shù)進(jìn)行了自整定，但仍需要進(jìn)行閉環(huán)測試，根據(jù)響應(yīng)時(shí)間、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差等參數(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化測試。磁通PI控制器參數(shù)整定結(jié)束后，將系統(tǒng)設(shè)定為轉(zhuǎn)矩閉環(huán)模式，采用波特圖對(duì)電機(jī)的電流環(huán)動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行整定，通過調(diào)整PI的參數(shù)提高控制系統(tǒng)的截止頻率，使系統(tǒng)具有較高的動(dòng)態(tài)性能。電流環(huán)整定完成后，進(jìn)行速度環(huán)整定，將系統(tǒng)設(shè)定為速度閉環(huán)模式，使用閉環(huán)階躍響應(yīng)整定參數(shù)，優(yōu)化性能。速度環(huán)整定完成后，進(jìn)行位置環(huán)PI控制器參數(shù)整定，將系統(tǒng)設(shè)定為位置閉環(huán)模式使用閉環(huán)階躍響應(yīng)整定參數(shù)，優(yōu)化性能。

2.5 測試結(jié)果分析

本設(shè)計(jì)的輪轂電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器測試系統(tǒng)如圖9所示。系統(tǒng)包括輪轂電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器和PC。測試內(nèi)容包括相電流、轉(zhuǎn)矩特性和轉(zhuǎn)速環(huán)。通過示波器檢測線電流是否平滑、脈動(dòng)是否減少，PC監(jiān)測三閉環(huán)的輸出波形，進(jìn)行PID參數(shù)整定。

圖9 輪轂電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器測試系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)采用雙電阻檢測法，電路中只對(duì)兩相電流進(jìn)行檢測，U相電流ADC_I0和V相電流ADC_I1，然后計(jì)算出W相電流ADC_I2。通過對(duì)三相相電流波形的觀察發(fā)現(xiàn)，所有的相電流波形平滑且近似為正弦波，電流沒有大幅度的脈動(dòng)輸出，對(duì)于輪轂電機(jī)而言，能夠有效地抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。利用波特圖工具對(duì)轉(zhuǎn)矩PI控制參數(shù)進(jìn)行整定，通過對(duì)比可知，PI參數(shù)調(diào)整后，控制系統(tǒng)具有較高的截止頻率，電流的動(dòng)態(tài)性能得到提高。設(shè)定驅(qū)動(dòng)器為轉(zhuǎn)速模式進(jìn)行系統(tǒng)階躍測試，轉(zhuǎn)速為650 r/min。

通過波形分析可知，轉(zhuǎn)速PI控制器后電機(jī)180 ms后轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，最大轉(zhuǎn)速不超過675 r/min，穩(wěn)態(tài)誤差小于5 r/min。測試結(jié)果表明，采用PI速度控制器系統(tǒng)的響應(yīng)速度快，超調(diào)小，穩(wěn)態(tài)誤差小，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，滿足一般場合輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的移動(dòng)機(jī)器人的需求。

3 結(jié)語

針對(duì)輪轂電機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，而現(xiàn)有FOC控制器算法復(fù)雜且成本高的問題，提出了基于硬件FOC的輪轂電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)方案并設(shè)計(jì)了該伺服驅(qū)動(dòng)器。經(jīng)過測試，伺服驅(qū)動(dòng)器采用FOC算法，輸出相電流平滑近似正弦波，減少了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，采用轉(zhuǎn)矩PI控制器實(shí)現(xiàn)了電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩控制；采用嵌入式控制器與硬件FOC通信控制，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)器的外部脈沖控制、485總線控制和CAN總線控制3種常用的控制方式。利用獨(dú)立的硬件芯片實(shí)現(xiàn)FOC控制和三閉環(huán)控制系統(tǒng)，將復(fù)雜的運(yùn)算硬件化，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低了系統(tǒng)的控制難度，減輕了控制器的負(fù)擔(dān)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，CPU資源占用少，保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性，同時(shí)也降低了系統(tǒng)的開發(fā)成本。