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(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，形成空氣負(fù)壓，使塵箱內(nèi)局部真空，從而吸附塵屑這一運(yùn)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(jiǎn)單介紹基于MM32SPIN25的無(wú)傳感弦波驅(qū)動(dòng)技術(shù)于“手持式吸塵器”的應(yīng)用實(shí)例。

方案特色:

• ARM Cortex-M0高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)專(zhuān)用芯片

• 主頻高達(dá)96MHz

• 內(nèi)建32位硬件除法器

• 內(nèi)建多組比較器和運(yùn)放

• 180度無(wú)傳感弦波驅(qū)動(dòng)

• 電機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)100000rpm (2極電機(jī))

• 速度命令輸入可為模擬電壓或PWM信號(hào), 並可由FG反饋實(shí)際轉(zhuǎn)速

• 定轉(zhuǎn)速或恒功率運(yùn)轉(zhuǎn)

• 支持多種數(shù)據(jù)通信接口：UART IIC SPI

• 完整的保護(hù)機(jī)制: 過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、進(jìn)風(fēng)口堵塞保護(hù)

圖1. 左圖:常見(jiàn)的25.2V/380W手持式吸塵器電機(jī); 

右圖:采用MM32SPIN25PF之驅(qū)動(dòng)板

2.  無(wú)傳感弦波驅(qū)動(dòng)技術(shù)原理

于此介紹無(wú)傳感弦波驅(qū)動(dòng)的技術(shù)原理與實(shí)現(xiàn)方法.

下圖2為弦波磁場(chǎng)導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制框圖。流程一開(kāi)始是由外部輸入訊號(hào)讀取目標(biāo)速度命令, 經(jīng)過(guò)閉回路加速度斜率控制器運(yùn)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(shí)際速度, 經(jīng)由PI 控制器計(jì)算之后產(chǎn)生力矩電流命令I(lǐng)q。

磁場(chǎng)導(dǎo)向控制器(FOC)功能方塊接收到此力矩電流命令及電機(jī)的估測(cè)角度后, 經(jīng)過(guò)三相電流的反饋、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、 電流環(huán)PI計(jì)算、及空間矢量調(diào)制(SVPWM)等法則運(yùn)算, 由此獲得要逼近目標(biāo)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(dòng)組件, 以此驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

在磁場(chǎng)導(dǎo)向控制器功能方塊產(chǎn)生PWM 訊號(hào)的過(guò)程中, 滑模估測(cè)器(SMO)功能方塊負(fù)責(zé)產(chǎn)生電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所需要的估測(cè)角度及速度。

圖2. 無(wú)傳感弦波磁場(chǎng)導(dǎo)向(FOC)軟件控制框圖

下圖3為滑模角度估測(cè)系統(tǒng)細(xì)部的框圖, 滑模角度估測(cè)器由四個(gè)主要功能方塊所組成。首先由電流估測(cè)器產(chǎn)生估測(cè)電流, 并用此估測(cè)電流與量測(cè)的實(shí)際電流Ialfa, Ibeta的差值, 經(jīng)過(guò)bang-bang 控制與低通濾波功能方塊運(yùn)算后, 產(chǎn)生估測(cè)的BEMF電壓值Ealfa, Ebeta, 將此估測(cè)的電壓值經(jīng)過(guò)反正切的計(jì)算后即可得到估測(cè)的轉(zhuǎn)子角度。

圖3. 滑模估測(cè)(SMO)轉(zhuǎn)子角度估測(cè)軟件控制框圖

本方案的磁場(chǎng)導(dǎo)向控制(FOC)主要有三個(gè)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)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(jī)的磁場(chǎng)電流Id及力矩電流Iq, 以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。這個(gè)理論是由F. Blaschke 在1972年所提出的。

Clarke 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換：

目的是將三相電流的三軸(a, b, c)坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為2軸坐標(biāo)系統(tǒng)。以下算式為Clarke 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方程式。

圖4. Clarke 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及其方程式

Park 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換：

將靜態(tài)的2軸坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為電機(jī)同步旋轉(zhuǎn)的2軸(d, q)坐標(biāo)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(biāo)轉(zhuǎn)換方程式。

圖5. Park 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及其方程式

逆變換Park 的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換：

將電機(jī)同步旋轉(zhuǎn)的2軸(d, q)坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換回靜態(tài)的2軸坐標(biāo)系統(tǒng)。以下算式為逆變換Park的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方程式。

圖6. 逆變換Park 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及其方程式

3.   硬件設(shè)計(jì)

MM32SPIN25PF內(nèi)建的比較器和運(yùn)放,簡(jiǎn)化了電機(jī)驅(qū)動(dòng)板的設(shè)計(jì).手持式吸塵器電機(jī)驅(qū)動(dòng)板的參考原理圖如下:

圖7. 基于MM32SPIN25PF的手持式吸塵器

電機(jī)驅(qū)動(dòng)板原理圖

4.   弦波驅(qū)動(dòng)的相電流波形

本應(yīng)用案例采用180度弦波驅(qū)動(dòng),在300W運(yùn)轉(zhuǎn)下的相電流波形如下:

圖8. 300W運(yùn)轉(zhuǎn)下的弦波相電流波形

堵住進(jìn)風(fēng)口時(shí)的轉(zhuǎn)速可達(dá)100000rpm,弦波相電流波形如下:

圖9. 進(jìn)風(fēng)口堵塞時(shí)的相電流波形

5.   結(jié)論

MM32SPIN25PF是靈動(dòng)微電子推出的高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)專(zhuān)用芯片，高達(dá)96MHz的主頻及32位硬件除法器能滿(mǎn)足無(wú)傳感磁場(chǎng)導(dǎo)向(FOC)弦波算法的高速運(yùn)算需求。其內(nèi)建的比較器和運(yùn)放，更大大地簡(jiǎn)化了電機(jī)驅(qū)動(dòng)板的設(shè)計(jì)，減少了整套方案BOM成本。