基于MM32SPIN電機/電源專用芯片的無傳感弦波驅動應用方案——手持式吸塵器
1. 簡介在生活水平高度現代化的今天，吸塵器已經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，形成空氣負壓，使塵箱內局部真空，從而吸附塵屑這一運作原理完成清掃的一種現代清潔工具。主要由起塵、吸塵、濾塵三部分組成。本文簡單介紹基于MM32SPIN25的無傳感弦波驅動技術于“手持式吸塵器”的應用實例。
方案特色:
ARM Cortex-M0高性能電機驅動專用芯片
主頻高達96MHz
內建32位硬件除法器
內建多組比較器和運放
180度無傳感弦波驅動
電機轉速可達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反饋實際轉速
定轉速或恒功率運轉
支持多種數據通信接口：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之驅動板
2. 無傳感弦波驅動技術原理
于此介紹無傳感弦波驅動的技術原理與實現方法.
下圖2為弦波磁場導向驅動電機控制框圖。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, 經由PI 控制器計算之后產生力矩電流命令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, 經過三相電流的反饋、坐標轉換、 電流環PI計算、及空間矢量調制(SVPWM)等法則運算, 由此獲得要逼近目標轉速所需求的三相PWM占空比數據, 之后將此數據產生PWM輸出給予外部的電力驅動組件, 以此驅動電機運轉。
在磁場導向控制器功能方塊產生PWM 訊號的過程中, 滑模估測器(SMO)功能方塊負責產生電機運轉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, 經過bang-bang 控制與低通濾波功能方塊運算后, 產生估測的BEMF電壓值Ealfa, Ebeta, 將此估測的電壓值經過反正切的計算后即可得到估測的轉子角度。
圖3. 滑模估測(SMO)轉子角度估測軟件控制框圖
本方案的磁場導向控制(FOC)主要有三個坐標轉換計算, Clarke轉換、Park轉換及逆變換Park轉換, 目的是要能夠控制電機的磁場電流Id及力矩電流Iq, 以實現電機的轉速控制。這個理論是由F. Blaschke 在1972年所提出的。
Clarke 坐標轉換：
目的是將三相電流的三軸(a, b, c)坐標系統轉換為2軸坐標系統。以下算式為Clarke 坐標轉換方程式。
圖4. Clarke 坐標轉換及其方程式
Park 坐標轉換：
將靜態的2軸坐標系統轉換為電機同步旋轉的2軸(d, q)坐標系統。d軸表轉子磁通電流方向及大小, q軸表力矩電流。以下算式為Park 坐標轉換方程式。
圖5. Park 坐標轉換及其方程式
逆變換Park 的坐標轉換：
將電機同步旋轉的2軸(d, q)坐標系統轉換回靜態的2軸坐標系統。以下算式為逆變換Park的坐標轉換方程式。
圖6. 逆變換Park 坐標轉換及其方程式
3. 硬件設計
MM32SPIN25PF內建的比較器和運放,簡化了電機驅動板的設計.手持式吸塵器電機驅動板的參考原理圖如下:
圖7. 基于MM32SPIN25PF的手持式吸塵器
電機驅動板原理圖
4. 弦波驅動的相電流波形
本應用案例采用180度弦波驅動,在300W運轉下的相電流波形如下:
圖8. 300W運轉下的弦波相電流波形
堵住進風口時的轉速可達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. 結論
MM32SPIN25PF是靈動微電子推出的高性能電機驅動專用芯片，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。其內建的比較器和運放，更大大地簡化了電機驅動板的設計，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
