无刷电机的简化和快速发展
日期：2023-07-17
先进的算法和易于使用的硬件融合了复杂性和简单性
作者：Radoslav Valchev，东芝电子欧洲有限公司总工程师
一般来说，电机变得越来越普遍，并取得了显著的进步，尤其是在磁学和设计方面。这一点，加上尺寸的减小和技术的进步，提高了效率、更快的速度、降低了可听见的噪音，并改善了动态响应。
尤其是BLDC的控制可能是一个挑战，需要复杂的波形和复杂的微控制器以及许多“专有技术”。幸运的是，有多种解决方案可供选择，包括多个开发平台和评估工具，以简化评估和原型制作过程，并消除设计过程中的风险。
驱动BLDC的挑战
BLDC电机控制需要将DC电源转换为三相信号。根据所选择的驱动方案，还可能需要位置传感器。电机的转速由驱动波形的电压和电频率定义，而电机扭矩与电流成比例。通常，PWM频率为几十千赫，因此人类听不见，但不会高到影响效率。
驱动BLDC的各种方法与波形形状有关。方波驱动是最简单的方法，但会引起一些波纹，引起振动和噪音，尤其是在低速时。梯形驱动方法是一个更好的解决方案，尽管有一些缺点。
正弦波驱动（“正弦波换向”）将消除纹波，但这会带来复杂性，需要微控制器来生成正弦波。它还要求在位置感测方面具有更高的精度。
矢量或磁场定向控制（FOC）因其在整个速度范围内的平稳操作、快速加速/减速以及零速度下100%扭矩的可用性而广受欢迎。FOC可以使用位置传感器，但同样可以使用无传感器技术。
FOC操作需要不断执行复杂的数学计算，这意味着即使是简单的FOC控制器也需要脉宽调制器（PWM）、基于软件的PI控制、ADC和具有矢量功能的处理器。
快速转向BLDC电机
随着BLDC的应用越来越广泛，用于简化传感器、存储器和输入控制集成的可扩展评估板概念的可用性也得到了扩展。这一领域的领先公司之一是MikroElektronika（MIKROE），这是一家塞尔维亚嵌入式系统软件和工具制造商。基于其完善的mikroBUS接口，MIKROE的“Clicker 4概念”旨在提供低成本、多功能的BLDC电机控制。
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图1：TMPM4K的Clicker 4评估板
TMPM4K的Clicker 4基于东芝的TMPM4KNFYAFG微控制器（MCU），该微控制器具有32位Arm Cortex-M4内核。专用MCU包括四个专门的外设，为基于传感器和无传感器矢量电机控制提供几乎“一劳永逸”的支持。
Advanced Vector Engine Plus（A-VE+）是一款矢量控制加速器，可以进行轴和坐标变换，执行空间矢量调制，并提供硬件比例积分（PI）控制器。一旦设置，A-VE+将在几乎没有任何其他输入的情况下执行矢量（FOC）电机控制，这可能是由于与其他三个关键外设的高度集成。
高级可编程电机控制（A-PMD）提供了一系列创新的脉冲调制，简化了控制并放松了死区配置。包含的异常功能检测能力集合和过电压检测输入增强了系统安全性。
高级编码器输入电路（A-ENC32）支持霍尔和增量编码器，用于传感器控制应用中的六种操作模式。
12位模数转换器（ADC）支持电流和电压监测，可从A-PMD模块信号范围自动触发。
东芝的先进TMPM4KNFYAFG包括广泛的功能和资源，如256kB代码闪存、32kB数据闪存和24kB SRAM。对于家用电器应用来说，重要的是，可以进行自我诊断，符合功能安全标准，如IEC 60730 class B。
Clicker 4的调试可以通过标准CMSIS-DAP接口在板上执行，而JTAG/SWD接口允许与外部调试器一起使用。此外，串行端口USB接口提供用于下载控制或配置数据的输入，并允许系统输出有用的信息，如诊断、状态、通知、错误日志等。集成了多个按钮和LED指示灯，一对20引脚提供了MCU功能，允许简单的扩展和/或监控。
MIKROE的mikroBUS标准化了多种功能的引脚，包括模拟、SPI、UART、I2C、复位信号、中断、PWM和电源，可访问支持该标准的400多个板。其他资源包括1300多个Click Board，包括传感器输入、无线连接、旋转编码器和外部存储器等功能。
快速固件开发和调试
东芝的MCU Motor Studio为Clicker 4提供固件解决方案，用于正弦波整流和矢量控制，适用于包括BLDC在内的多种电机类型。使用Clicker 4的高速UART/USB接口，东芝的电机控制PC工具可以配置参数，并提供驱动器控制、实时日志记录和诊断。
共有三种控制方案可供选择——速度、扭矩和精确位置——所有这些都可以在有传感器或无传感器的情况下实现。在每种模式中，一个主要参数通过调整其他参数来控制。电流检测可以是单分路或三分路，与位置控制模式结合使用，可以实现比霍尔传感器更好的性能——事实上，性能可以接近高精度编码器。
有几个功能可用，可以简化到其他M4K硬件或MCU的移植。对于控制算法至关重要的是，零电流点检测器在没有电流施加到电机的情况下校准ADC，而停止控制提供各种MOSFET控制的制动方案。
安全在所有电机应用中都很重要，内置多种故障保护机制，包括过电流、过电压、欠电压、过热和电机断开检测。
调试时，无法停止固件以检查寄存器和内存的状态。然而，基于软件的数字存储示波器（DSO）类功能可用于观察控制算法的内部操作，并且可以使用电机控制PC工具监测传感器数据（目标和实际速度、扭矩和电流）。数据通过UART输出，“软件DSO”能够观察内部寄存器——这是传统硬件设备无法做到的。
电机驱动、配置和控制
Clicker 4逆变器屏蔽是一款三相逆变器，基于60V栅极驱动器和东芝的低RDS（ON）SSM6K819R MOSFET，可连接任何电机和传感器。该板包括一个模拟输出温度传感器、一个增量编码器接口以及一个CAN收发器。简单的跳线可以快速配置功能。
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图2：逆变器屏蔽与Clicker 4一起使用
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图3：易于访问的MCU引脚允许扩展
电机控制PC工具允许固件和电机匹配，编译固件将其下载到MCU，然后通过GUI定义电机特性。GUI还用于配置PI控制器和PWM频率，同时在固件中直接配置分流和空载时间等设置。GUI设置可以实时上传到Clicker 4，并在调试后使用PC工具导出为新的头文件。
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图4：GUI提供了直观的配置和监控
总结
开发人员不断面临挑战，要找到提供更小、更高效的解决方案的方法，这导致他们寻找能够简化开发并降低设计风险的工具。Clicker 4和Inverter Shield的组合为围绕东芝M4K系列MCU开发解决方案提供了一种易于使用、低成本的方法。
toshiba.semicon-storage.com/eu/
作者：Radoslav Valchev，东芝电子欧洲有限公司总工程师
一般来说，电机变得越来越普遍，并取得了显著的进步，尤其是在磁学和设计方面。这一点，加上尺寸的减小和技术的进步，提高了效率、更快的速度、降低了可听见的噪音，并改善了动态响应。
尤其是BLDC的控制可能是一个挑战，需要复杂的波形和复杂的微控制器以及许多“专有技术”。幸运的是，有多种解决方案可供选择，包括多个开发平台和评估工具，以简化评估和原型制作过程，并消除设计过程中的风险。
驱动BLDC的挑战
BLDC电机控制需要将DC电源转换为三相信号。根据所选择的驱动方案，还可能需要位置传感器。电机的转速由驱动波形的电压和电频率定义，而电机扭矩与电流成比例。通常，PWM频率为几十千赫，因此人类听不见，但不会高到影响效率。
驱动BLDC的各种方法与波形形状有关。方波驱动是最简单的方法，但会引起一些波纹，引起振动和噪音，尤其是在低速时。梯形驱动方法是一个更好的解决方案，尽管有一些缺点。
正弦波驱动（“正弦波换向”）将消除纹波，但这会带来复杂性，需要微控制器来生成正弦波。它还要求在位置感测方面具有更高的精度。
矢量或磁场定向控制（FOC）因其在整个速度范围内的平稳操作、快速加速/减速以及零速度下100%扭矩的可用性而广受欢迎。FOC可以使用位置传感器，但同样可以使用无传感器技术。
FOC操作需要不断执行复杂的数学计算，这意味着即使是简单的FOC控制器也需要脉宽调制器（PWM）、基于软件的PI控制、ADC和具有矢量功能的处理器。
快速转向BLDC电机
随着BLDC的应用越来越广泛，用于简化传感器、存储器和输入控制集成的可扩展评估板概念的可用性也得到了扩展。这一领域的领先公司之一是MikroElektronika（MIKROE），这是一家塞尔维亚嵌入式系统软件和工具制造商。基于其完善的mikroBUS接口，MIKROE的“Clicker 4概念”旨在提供低成本、多功能的BLDC电机控制。
图1：TMPM4K的Clicker 4评估板
TMPM4K的Clicker 4基于东芝的TMPM4KNFYAFG微控制器（MCU），该微控制器具有32位Arm Cortex-M4内核。专用MCU包括四个专门的外设，为基于传感器和无传感器矢量电机控制提供几乎“一劳永逸”的支持。
Advanced Vector Engine Plus（A-VE+）是一款矢量控制加速器，可以进行轴和坐标变换，执行空间矢量调制，并提供硬件比例积分（PI）控制器。一旦设置，A-VE+将在几乎没有任何其他输入的情况下执行矢量（FOC）电机控制，这可能是由于与其他三个关键外设的高度集成。
高级可编程电机控制（A-PMD）提供了一系列创新的脉冲调制，简化了控制并放松了死区配置。包含的异常功能检测能力集合和过电压检测输入增强了系统安全性。
高级编码器输入电路（A-ENC32）支持霍尔和增量编码器，用于传感器控制应用中的六种操作模式。
12位模数转换器（ADC）支持电流和电压监测，可从A-PMD模块信号范围自动触发。
东芝的先进TMPM4KNFYAFG包括广泛的功能和资源，如256kB代码闪存、32kB数据闪存和24kB SRAM。对于家用电器应用来说，重要的是，可以进行自我诊断，符合功能安全标准，如IEC 60730 class B。
Clicker 4的调试可以通过标准CMSIS-DAP接口在板上执行，而JTAG/SWD接口允许与外部调试器一起使用。此外，串行端口USB接口提供用于下载控制或配置数据的输入，并允许系统输出有用的信息，如诊断、状态、通知、错误日志等。集成了多个按钮和LED指示灯，一对20引脚提供了MCU功能，允许简单的扩展和/或监控。
MIKROE的mikroBUS标准化了多种功能的引脚，包括模拟、SPI、UART、I2C、复位信号、中断、PWM和电源，可访问支持该标准的400多个板。其他资源包括1300多个Click Board，包括传感器输入、无线连接、旋转编码器和外部存储器等功能。
快速固件开发和调试
东芝的MCU Motor Studio为Clicker 4提供固件解决方案，用于正弦波整流和矢量控制，适用于包括BLDC在内的多种电机类型。使用Clicker 4的高速UART/USB接口，东芝的电机控制PC工具可以配置参数，并提供驱动器控制、实时日志记录和诊断。
共有三种控制方案可供选择——速度、扭矩和精确位置——所有这些都可以在有传感器或无传感器的情况下实现。在每种模式中，一个主要参数通过调整其他参数来控制。电流检测可以是单分路或三分路，与位置控制模式结合使用，可以实现比霍尔传感器更好的性能——事实上，性能可以接近高精度编码器。
有几个功能可用，可以简化到其他M4K硬件或MCU的移植。对于控制算法至关重要的是，零电流点检测器在没有电流施加到电机的情况下校准ADC，而停止控制提供各种MOSFET控制的制动方案。
安全在所有电机应用中都很重要，内置多种故障保护机制，包括过电流、过电压、欠电压、过热和电机断开检测。
调试时，无法停止固件以检查寄存器和内存的状态。然而，基于软件的数字存储示波器（DSO）类功能可用于观察控制算法的内部操作，并且可以使用电机控制PC工具监测传感器数据（目标和实际速度、扭矩和电流）。数据通过UART输出，“软件DSO”能够观察内部寄存器——这是传统硬件设备无法做到的。
电机驱动、配置和控制
Clicker 4逆变器屏蔽是一款三相逆变器，基于60V栅极驱动器和东芝的低RDS（ON）SSM6K819R MOSFET，可连接任何电机和传感器。该板包括一个模拟输出温度传感器、一个增量编码器接口以及一个CAN收发器。简单的跳线可以快速配置功能。
图2：逆变器屏蔽与Clicker 4一起使用
图3：易于访问的MCU引脚允许扩展
电机控制PC工具允许固件和电机匹配，编译固件将其下载到MCU，然后通过GUI定义电机特性。GUI还用于配置PI控制器和PWM频率，同时在固件中直接配置分流和空载时间等设置。GUI设置可以实时上传到Clicker 4，并在调试后使用PC工具导出为新的头文件。
图4：GUI提供了直观的配置和监控
总结
开发人员不断面临挑战，要找到提供更小、更高效的解决方案的方法，这导致他们寻找能够简化开发并降低设计风险的工具。Clicker 4和Inverter Shield的组合为围绕东芝M4K系列MCU开发解决方案提供了一种易于使用、低成本的方法。
toshiba.semicon-storage.com/eu/
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