基于MM32SPIN電機/電源專用芯片的無傳感弦波驅(qū)動應用方案——手持式吸塵器
1. 簡介在生活水平高度現(xiàn)代化的今天，吸塵器已經(jīng)成了清潔家庭的智慧家庭必備小家電。吸塵器是利用電機高速運轉(zhuǎn)，形成空氣負壓，使塵箱內(nèi)局部真空，從而吸附塵屑這一運作原理完成清掃的一種現(xiàn)代清潔工具。主要由起塵、吸塵、濾塵三部分組成。本文簡單介紹基于MM32SPIN25的無傳感弦波驅(qū)動技術(shù)于“手持式吸塵器”的應用實例。
方案特色:
ARM Cortex-M0高性能電機驅(qū)動專用芯片
主頻高達96MHz
內(nèi)建32位硬件除法器
內(nèi)建多組比較器和運放
180度無傳感弦波驅(qū)動
電機轉(zhuǎn)速可達100000rpm (2極電機)
速度命令輸入可為模擬電壓或PWM信號, 並可由FG反饋實際轉(zhuǎn)速
定轉(zhuǎn)速或恒功率運轉(zhuǎn)
支持多種數(shù)據(jù)通信接口：UART \ IIC \ SPI
完整的保護機制: 過流保護、過壓保護、欠壓保護、過溫保護、堵轉(zhuǎn)保護、進風口堵塞保護
圖1. 左圖:常見的25.2V/380W手持式吸塵器電機;
右圖:采用MM32SPIN25PF之驅(qū)動板
2. 無傳感弦波驅(qū)動技術(shù)原理
于此介紹無傳感弦波驅(qū)動的技術(shù)原理與實現(xiàn)方法.
下圖2為弦波磁場導向驅(qū)動電機控制框圖。流程一開始是由外部輸入訊號讀取目標速度命令, 經(jīng)過閉回路加速度斜率控制器運算后, 得到可提供速度PI控制器的速度命令,接著用此速度命令與反饋的實際速度, 經(jīng)由PI 控制器計算之后產(chǎn)生力矩電流命令Iq。
磁場導向控制器(FOC)功能方塊接收到此力矩電流命令及電機的估測角度后, 經(jīng)過三相電流的反饋、坐標轉(zhuǎn)換、 電流環(huán)PI計算、及空間矢量調(diào)制(SVPWM)等法則運算, 由此獲得要逼近目標轉(zhuǎn)速所需求的三相PWM占空比數(shù)據(jù), 之后將此數(shù)據(jù)產(chǎn)生PWM輸出給予外部的電力驅(qū)動組件, 以此驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。
在磁場導向控制器功能方塊產(chǎn)生PWM 訊號的過程中, 滑模估測器(SMO)功能方塊負責產(chǎn)生電機運轉(zhuǎn)所需要的估測角度及速度。
圖2. 無傳感弦波磁場導向(FOC)軟件控制框圖
下圖3為滑模角度估測系統(tǒng)細部的框圖, 滑模角度估測器由四個主要功能方塊所組成。首先由電流估測器產(chǎn)生估測電流, 并用此估測電流與量測的實際電流Ialfa, Ibeta的差值, 經(jīng)過bang-bang 控制與低通濾波功能方塊運算后, 產(chǎn)生估測的BEMF電壓值Ealfa, Ebeta, 將此估測的電壓值經(jīng)過反正切的計算后即可得到估測的轉(zhuǎn)子角度。
圖3. 滑模估測(SMO)轉(zhuǎn)子角度估測軟件控制框圖
本方案的磁場導向控制(FOC)主要有三個坐標轉(zhuǎn)換計算, Clarke轉(zhuǎn)換、Park轉(zhuǎn)換及逆變換Park轉(zhuǎn)換, 目的是要能夠控制電機的磁場電流Id及力矩電流Iq, 以實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)速控制。這個理論是由F. Blaschke 在1972年所提出的。
Clarke 坐標轉(zhuǎn)換：
目的是將三相電流的三軸(a, b, c)坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為2軸坐標系統(tǒng)。以下算式為Clarke 坐標轉(zhuǎn)換方程式。
圖4. Clarke 坐標轉(zhuǎn)換及其方程式
Park 坐標轉(zhuǎn)換：
將靜態(tài)的2軸坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為電機同步旋轉(zhuǎn)的2軸(d, q)坐標系統(tǒng)。d軸表轉(zhuǎn)子磁通電流方向及大小, q軸表力矩電流。以下算式為Park 坐標轉(zhuǎn)換方程式。
圖5. Park 坐標轉(zhuǎn)換及其方程式
逆變換Park 的坐標轉(zhuǎn)換：
將電機同步旋轉(zhuǎn)的2軸(d, q)坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換回靜態(tài)的2軸坐標系統(tǒng)。以下算式為逆變換Park的坐標轉(zhuǎn)換方程式。
圖6. 逆變換Park 坐標轉(zhuǎn)換及其方程式
3. 硬件設計
MM32SPIN25PF內(nèi)建的比較器和運放,簡化了電機驅(qū)動板的設計.手持式吸塵器電機驅(qū)動板的參考原理圖如下:
圖7. 基于MM32SPIN25PF的手持式吸塵器
電機驅(qū)動板原理圖
4. 弦波驅(qū)動的相電流波形
本應用案例采用180度弦波驅(qū)動,在300W運轉(zhuǎn)下的相電流波形如下:
圖8. 300W運轉(zhuǎn)下的弦波相電流波形
堵住進風口時的轉(zhuǎn)速可達100000rpm,弦波相電流波形如下:
圖9. 進風口堵塞時的相電流波形
5. 結(jié)論
MM32SPIN25PF是靈動微電子推出的高性能電機驅(qū)動專用芯片，高達96MHz的主頻及32位硬件除法器能滿足無傳感磁場導向(FOC)弦波算法的高速運算需求。其內(nèi)建的比較器和運放，更大大地簡化了電機驅(qū)動板的設計，減少了整套方案BOM成本，給客戶提供超具競爭力的方案。
編輯：ls 最后修改時間：2022-06-10
