BLDC和PMSM电机的构造及驱动方案介绍

无刷直流(BLDC)和永磁同步电机(PMSM)现在在许多应用中受到青睐，但运行它们的控制软件可能难以实现。恩智浦的Kinetis电机套件弥补了与嵌入式控制软件和直观GUI的差距，最大限度地降低了软件的复杂性并加快了开发过程。

本文将简要介绍BLDC和PMSM电机的构造和关键操作参数，然后介绍如何驱动它们。然后，它将讨论软件为何复杂，如何管理以及一些硬件选项。然后，它将研究如何使用恩智浦的Kinetis电机套件启动和运行项目。

三相无刷直流电机(BLDC)及其近似同类电机，永磁同步电机(PMSM)已成为在过去十年中，由于其控制电子设备的成本急剧下降，新的控制算法激增，因此在过去的十年中，工业领域也越来BLDC电机具有高可靠性，高效率和高功率体积比。它们可以高速运行(大于10,000 rpm)，具有低转子惯量，允许快速加速，减速和快速反向，并具有高功率密度，将大量扭矩包装成紧凑的尺寸。今天，它们被用于任何数量的应用，包括风扇，泵，真空吸尘器，四轴转换器和医疗设备，仅举几例。

PMSM与带有绕线定子和永磁转子的BLDC具有相似的结构，但定子结构和绕组更类似于AC感应电机，在气隙中产生正弦磁通密度。 PMSM与施加的三相交流电压同步运行，并且具有比交流感应电动机更高的功率密度，因为没有定子功率用于感应转子中的磁场。今天的设计也更强大，同时具有更低的质量和惯性矩，使其对工业驱动，牵引应用和电器具有吸引力。

创造驱动器

鉴于这些优势，它不是不知道这些电机是如此受欢迎。然而，没有任何东西没有价格，在这种情况下，驱动和控制电路的复杂性。消除换向电刷(及其伴随的可靠性问题)使得需要电气换向以产生定子旋转场。这需要一个功率级(图1)。

图1：三相电机驱动的简化框图。三个半桥在控制器的指导下切换电机相电流，其输出由前置驱动器放大和电平移位。 (使用Digi-Key方案绘制的图表 - 它)

星形连接的电机相连接到三个半桥驱动电路。这些使用功率FET来切换总线功率以激励绕组，但是也可以使用其他类型的功率器件，例如IGBT。 FET由预驱动器级驱动，该级驱动器级电平移位并放大来自电机控制器的相位输入，电机控制器可以是MCU，DSP，FPGA状态机或其他一些可编程控制器。使用来自电机的反馈(图1中未显示)，控制器对桥式FET进行排序以产生旋转磁场，从而拉动转子。

有两种常见的波形用于实现此目的。第一种是六步梯形驱动器，其中360度电旋转分成60度的步进。第二种是正弦驱动，其中偏移120度的PWM正弦电压波形在电机相位中被驱动。梯形控制通常与BLDC电机一起使用，因为它更容易实现。正弦波控制可提供更高的电机效率和更小的纹波，并可与BLDC电机和PMSM一起使用。

图1所示的电路可以通过多种方式实现。对于风扇控制等低功耗，单功能应用，所有模块都可以集成到一个芯片中。对于医疗设备等更复杂的应用，可以将预驱动器和功率FET集成到一个IC中。控制器是单独实现的，因此它可以处理应用程序中的其他功能。对于大功率工业或电动车辆驱动器，控制器，预驱动器和功率级都是分开的。在电机和驱动器的高总线电压与控制器的低压信号之间增加了电流隔离。

控制电流

由于电流需要调整到在变化的负载下控制速度，必须采用反馈控制机制。这是它变得复杂的地方。为了获得具有良好动态扭矩响应的良好速度控制，在正弦驱动中采用称为矢量控制(也称为磁场定向控制或FOC)的技术。

FOC的详细信息超出了本文的范围。本质上，使用矩阵运算测量定子相电流，然后从三维转换为二维坐标空间。得到的2D矢量表示电动机磁链和电动机转矩。通常，然后使用比例积分(PI)控制器来调整这些2D电流分量以匹配外部速度控制环路(由另一个PI控制器确定)的需要，然后再转换回3D相量电流以应用于6步驱动。

为了使控制方程起作用，需要确定电机转子的位置。除了在电机中嵌入真正的轴编码器外，还有两个主要选择：使用霍尔效应传感器，称为传感器控制;或检测电机的反电动势(电动势)，称为无传感器控制。无传感器由于成本较低而成为最常见的，但两者都需要电机转动才能感应真实位置。在这种情况下，电机启动可能会非常棘手，因为它需要以开环模式启动，直到确定电机位置。

控制软件开发完成后，需要调整控制系统。必须调整PI控制器的参数以匹配电机类型，负载变化和其他潜在的干扰因素。这些参数控制控制器的阶跃响应和带宽。如果它们设置得太低，电机响应会滞后。如果它们设置得太高，控制器可能会振荡并变得不稳定。编写和调试控制软件后，通常需要数月的测试和调整才能在所有条件下获得所需的响应。

管理软件复杂性

这些控制方程所涉及的数学复杂性使得计算平台需要增强的数学或DSP指令。它还需要具有快速的模数(A/D)转换功能来测量电机电流，以及专门的定时器模块，以产生精确对准的PWM信号。将这些功能卸载到DSP或其他专用处理器，可以释放CPU以执行其他应用程序任务。

幸运的是，目前市场上出现了专门针对FOC电机控制的低成本MCU。例如，恩智浦提供一系列基于ARM®Cortex®-M的电机控制设备，称为Kinetis V系列(图2)。

图2：恩智浦Kinetis V系列基于ARM Cortex-M的MCU具有高性能内核，电机控制定时器，快速A/D转换器以及各种存储器和封装尺寸。 (图像：NXP)

Kinetis V系列可扩展核心功能，存储器大小，定时器和A/D转换器通道，数模转换器(D/A)和比较器。这样可以在低端优化实现简单的BLDC速度控制，一直到高端设备的多个PMSM。 KV1x MCU系列中的Cortex-M0 +内核增加了硬件平方根和除法功能。这使得Kinetis KV1x器件适用于负载相对恒定且控制环路频率低于12 KHz的BLDC和PMSM电机。

Kinetis KV3x和KV4x MCU系列使用支持DSP的Cortex-M4内核函数和浮点数学。这些器件可支持更高动态负载应用，控制环路高达20 KHz，并提供极高性能的解决方案。 Kinetis KV5x MCU系列具有Cortex-M7内核以及以太网连接和安全IP。

FlexTimer和eFlexPWM定时器支持死区时间插入，以消除当相位关闭时的电流射击，以及其他电机专用功能。 FlexTimer每个定时器模块具有单个时基，而eFlexPWM每个PWM模块最多可支持四个时基，为高级电机控制算法的PWM生成和同步提供了极大的灵活性。

A/D模块可同时捕获和处理两个信号，这对于无传感器控制非常重要。采样频率在高端设备上增加。所有器件还具有一个或多个12位D/A和相应数量的比较器，相对于PWM通道的数量，具有6位参考D/A转换器。

电机控制优化处理器是等式的一部分，但仍然存在开发FOC软件的问题，FOC软件过去需要在电机管理和控制理论方面具有深厚的专业知识。然而，由于恩智浦提供了一种新的免费工具--Kinetis Motor Suite(KMS)，现在已经减少了这一障碍。

KMS是一种硬件和软件解决方案，包含专有的FOC电机控制IP。选定的Kinetis V系列MCU上的受保护闪存和一个简单易用的GUI，用于设置和调整电机系统。 KMS消除了对电机控制的深入了解的需要，允许那些专业知识有限的人开发应用程序，然后将其与其他应用软件嵌入。 KMS可以在短短30分钟内运行并调整电机。

KMS入门

以下是如何开始开发自己的电机控制解决方案。最简单的方法是购买FRDM-V31F Freedom开发平台和相应的高压或低压平台驱动板。在这种情况下，我们将使用FRDM-MC-LVPMSM Freedom评估板。如果您是塔式系统开发板用户，则该平台还有适用的处理器和驱动板。

为此，您需要添加电机和适当的电源电压直流电源。如果你没有电机，一个很好的选择是FRDM-MC-LVMTR-ND，这是恩智浦用于Freedom Development Kit的24 V，3相BLDC电机。

FRDM-V31F板上有MKV31F128VLH10P微控制器。这包含嵌入式KMS IP。请注意，只有带有“P”后缀的Kinetis微控制器包含KMS IP。

获得主板后，就可以从Kinetis Motor Suite入门页面获取软件工具，其中有链接可下载您需要的三种工具，包括：

Kinetis软件开发套件(KSDK)

Kinetis设计工作室(KDS)集成开发环境(IDE)

Kinetis电机套件。

现在是时候组装硬件了。通过将三相FRDM-MC-LVPMSM板插入FRDM-KV31F板并将FRDM-MC-LVPMSM板置于顶部，将两块Freedom板连接在一起。将电机的三相端子连接到FRDM-MC-LVPMSM板，并通过电源输入插孔连接电机电压。在计算机和FRDM-KV31F之间连接USB-mini-USB线。微控制器板上的绿色电源LED应亮起，同一板上的RGB LED应闪烁。您现在可以进行电机测量并旋转电机。

启动Kinetis Motor Suite并选择一个新项目。它将要求您识别您的硬件平台(Freedom，High Voltage或Tower系统)，控制类型(Sensored Position，无传感器速度或感应速度)和开发环境(IAR或Kinetis Design Studio IDE。)

在为项目命名并选择COM端口后，系统会要求您输入电机的基本信息。您需要知道电机的额定速度，额定RMS电流，额定电压和极对数(图3)。

图3： KMS屏幕输入电机信息。显示的值适用于FRDM-MC-LVMTR板。嵌入式控制算法使用这些值来控制电机。 (图像：恩智浦)

一旦输入，KMS将激活并旋转电机以测量其电气特性 - 定子电阻，定子电感和定子磁通(图4)。稍后需要这些来调整电机控制参数。在此步骤中确保电机与负载断开连接。

图4：KMS屏幕，用于测量电机电气特性。 KMS在测量和旋转电机时更新这些值。 (图片：恩智浦)

接下来，KMS将通过快速旋转电机来测量系统的机械惯性。这应该是裸轴或连接到其他系统机械部件，如齿轮或皮带，而不是动态负载。

KMS现在拥有以额定速度运行电机所需的所有信息。只需单击鼠标即可开始测试，KMS将打开一个软件示波器，向您显示电机启动，从开环控制到闭环控制的转换，然后升至额定速度(图5)。

图5：KMS启动电机并斜坡上升到额定速度，同时在速度/时间图表上显示RPM。 (图像：NXP)

通过执行这四个步骤，KMS确定了必要的参数并编程了控制回路以使电机运行，而无需编写一行控制代码。

调高

但是，我们还没有调整电机。 KMS还通过使用自抗扰控制(ADRC)来帮助完成这项经常困难的任务。这是Linestream Technologies的SpinTAC™控制系统的一部分，嵌入在KMS中。 ADRC取代了KMS中的比例积分微分(PID)控制，并使用设置步骤中的电机特性和系统惯量来调节控制器。用户只需要设置一个参数：带宽。这需要两个步骤来调整电机。

第一步是以最小速度运行电机，并使用KMS速度控制器设置产生稳定速度的最大带宽(图6)。

图6：KMS速度控制器输入。单击带宽弧将设置新值。 (图像：NXP)

然后以最大速度运行电机并根据需要调低带宽，以获得稳定的操作。电机现已调整。

使用ADRC进行调整不仅可以调整电机和惯量参数，还可以解决非理想情况下的其他干扰，例如负载变化，轴承磨损和摩擦变化。这样做是因为它主动估计这些干扰并实时补偿它们，并且ADRC的性能优于PI控制器。这显示在图7和8中。

图7：应用扭矩干扰的PI控制器与SpinTAC控制器的性能比较。与PI控制器相比，SpinTAC控制器具有更少的误差和更快的建立时间。

图8：PI控制器与SpinTAC控制器的性能比较，用于去除扭矩骚乱。 SpinTAC控制器具有与PI控制器相同的误差和更快的建立时间。

这些数据显示PI和SpinTAC控制器对额定速度为75%的电机上的50%转矩增加和移除的响应。 SpinTAC控制器的初始控制器错误更好或相同，并且建立时间比PI控制器更快。 ADRC的自适应特性改善了控制器干扰范围内的标准PI控制器，无需进一步调整或运行时调整。

后续步骤

有了它。您的电机正在运行和调整，无需编写一行代码。但是，我们刚刚触及了KMS的功能表面。它可用于编程运动序列，调整启动参数，执行扭矩控制，提供制动和保护功能，并为您的应用微调许多参数。

当然，要构建您的最终产品，您需要调整KMS固件并将其转换为最终硬件配置，并将其嵌入应用程序固件中。恩智浦提供了一个全面的应用笔记，用于转换为您的自定义硬件以及完整的API参考手册。您可以继续使用KMS中的工具来调整和微调您的应用程序，直到产品发布和调试。

结论

BLDC和PMSM是具有许多应用的主力电机，但它们通常需要仔细注意位置感应，驱动电路和控制软件。恩智浦通过引入KMS简化了开发电机驱动应用的任务。使用这种硬件和软件解决方案，您不一定需要了解电机驱动和控制的所有细节，因此即使专业知识有限，您也可以在短短30分钟内运行电机并进行调谐。