想要低落无刷直流驱动本钱和繁复度？来看看这篇硬核测评
本人长时从事新动力汽车主驱电机的软件开发事情，专注于扩展卡尔曼观察器、高频注入等针对电机各项参数的识别算法的研讨，对市面上各个厂商的电驱方案都有所了解。本篇文章，我们将对Power Integrations（以下简称PI）公司电机控制软件开发套件举行测评，此中包含上位机软件Motor-Expert 2.0和基于
libTPCFOC_IPH_Curr_Recon_v01.00.000.a电机控制库的下位机软件。该软件库搭配PI BridgeSwitch?功率器件，可以完成400V电压平台下的中小功率无刷电机驱动，实用于家用或商用的空调、电扇等，具有很宽广的使用场景。同时由于其功率器件的高度集成化，极大的低落了硬件本钱和变小了PCB占用空间。底下我们将开头具体测评。
针对文中显现的缩略词，为制止歧义，在此事先声明：
开发套件功效一览
起首，我们来看看本次测评目标PI电机控制软件开发套件的具体构成。主要包含上位机软件Motor-Expert 2.0和下位机软件基于
libTPCFOC_IPH_Curr_Recon_v01.00.000.a电机控制库。
Motor-Expert 2.0是PI推出的一款嵌入C言语使用步骤、库及控制GUI的软件，使用BridgeSwitch?无刷直流（BLDC）电机驱动器IC的计划职员，借助该软件可对三相电机的运转功能举行准确的控制和调停。其与电机控制库的通讯协议是公开的，用户在产物开发历程中可使用该上位机举行调试。根听分析文档整理及软件界面体现，该上位机具有如下功效：电机形态体现、电机参数设置、电机控制指令设置、数据波形体现（同一时候最多四个信号）、控制台等。
关于下位机软件电机控制库
libTPCFOC_IPH_Curr_Recon_v01.00.000.a，我们根听分析文档，可以整剃头觉该软件库具有以下功效：
–高可设置性，包含在运转历程中也可以举行设置，突出一个“机动”
–速率环控制、扭矩环（电流环）控制
–经过使用BridgeSwitch?功率器件，对三相电流举行重修，完成三相无刷电机无感矢量控制
–支持BridgeSwitch?功率器件的错误总线功效。错误总线使用单线通讯，可使三组半桥经过同一根信号线毗连至单片机，向单片机传送半桥的四个级别的欠压、过压、半桥过热、驱动形态、过流等妨碍信息，该功效极大的变小了单片机引脚的使用，的确精良，本人第一次见功率器件及驱动以总线情势转达妨碍信息
–对功率器件的监控、保护
–数据纪录、回放功效，便利体系形态诊断和体系参数调试
–与上位机软件的通讯，便利举行电机控制和数据可视化
–便利移植至其他单片机平台。该软件库的Demo是基于XMC1400单片机，为Cortex-M0内核，48MHz，以是关于大局部基于Cortex-M核的单片机都可使用，只是关于支持浮点盘算的单片机，有点功能糜费；使用DAVE开发情况，编译链为ARM-GCC，以是移植时需思索编译链婚配。
综上所述，该电机控制库具有完备的电机控制环路算法，在实践使用历程中，用户只必要专注处理如下事情：单片机硬件适配、产物使用层计划、产物参数设置。
明白套件功效后，我们的测评步调也基本确定：起首使用XMC1400（单片机开发板）、DER-870（BridgeSwitch?器件评价板）构建电机控制硬件。然后对PI Demo步骤（BridgeSwitch Three-Phase Sensorless FOC Code Library using Integrated Phase Current (IPH)）举行硬件适配。再使用上位机软件Motor-Expert 2.0举行电机控制环的参数调优。最初，使用上位机软件对电机形态、干系数据波形举行体现展现。
硬件情况搭建
1. 逆变桥：逆变桥使用PI DER-870评价板，实物如下如所示
该评价板使用三颗BridgeSwitch? BRD1267C 半桥器件，原理图如下所示
该评价板的主要外参数如下图所示
可以看出，该半桥的电路极度简便，只需在边沿设置电阻、电容即可正常事情。该评价板背侧尚有分外的电流收罗电路，试用历程中下未使用，故未列出其原理。团结原理图、参数、Datasheet可知，该评价板的电气接口界说如下：
别的，该评价板的紧张电信号主要包含：半桥功率器件，相电流与电流信号的对应干系为400uA/A，电流信号转电压信号所使用的电阻值为10KΩ，对应电压信号为4V/A，该半桥最大输入电流为0.7A，对应最大输入电压为2.8V；半桥的上桥臂使用的PWM信号为低逻辑，即当该PWM信号为低时，对应上的上桥臂导通；器件ID，逆变桥使用三个半桥功率器件，该三个半桥使用同一根FAULT_BUS信号与微控制器通讯，因此必要设置每个半桥的通讯识别ID，经过将半桥功率器件的ID引脚分散：毗连至BPL引脚、悬空、毗连SG引脚共三种办法来设置三个ID，微控制器具有默许的ID，因此无需设置。
2. XMC1400评价板
3. 连线：依据Demo文档，接线干系如下
4.电机：电机毗连如下图所示：
电机控制软件Demo分析
硬件情况搭建完成，让我们来看看软件局部。电机控制软件Demo步骤将代码主要分为三层：硬件笼统层、电机控制算法层、电机控制使用层。硬件笼统层包含错误总线驱动、PWM驱动、ADC驱动、UART驱动、GPIO驱动、看门狗驱动。电机控制算法层包含FOC、反应信号处理、V/f(压频)控制、PI控制器、速率环、增速率控制、形态观察器、相电流重构、电流环、错误总线监控、形态监控。电机控制使用层包含妨碍处理、电机控制、数据收罗、与上位机软件的通讯。
第一步：电机启动历程
此电机控制库所使用的转子地点观察算法是基于磁链观察算法，当电机转速过低、电流太小（信噪比太小）时，将招致观察器无法安定闭环，故必要先将电机转速开环条件下举行转动，其启动历程如下图所示：
Bootstrap阶段：在低本钱的逆变电路中，关于逆变桥上桥臂的门级驱动广泛接纳自举电路，经过二极管、电容来维持上桥臂灵识时所必要的的门级电压。在上图的Bootstrap阶段，当第一个半桥的上桥臂关断、下桥臂灵识时，经过二极管对自举电容充电，使得上桥臂本人一个PWM周期内可以正常事情。
Alignment阶段：此阶段，经过给定一个朝向恒定的电磁场，强行拉动电机转子转到该角度四周。
Alignment De-energize阶段：上一阶段后的一段空闲时间，推测是用于等候转子安定下去。
Sensorless Startup阶段：此阶段经过开环拖动，使电机转速渐渐提高至设定的转速值。
Open-Loop阶段：控制器输入安稳的占空比信号，使电机转速渐渐安定下去，预设置观察器，用于下一阶段的闭环控制。
Closed-Loop阶段：基于上一阶段的安定运转，使用磁链观察的办法，举行电机转子角度、转速的闭环观察、电流环、转速环、使用层等的正常运转。
第二步：电机磁链观察器
磁链观察器原理如下图所示。Vs即控制器的输入电压，减去电机电流×电机电阻，抱负情况下，为电机的反电动势+电机电感的电压，经过该电压盘算取得总的磁链，并减去由电流+电感产生的磁链，即可取得电机转子的磁链。由此可以看出，当电机转速过小，将招致反电动势过小，信噪比过小，影响观察后果。同时可以看出，电机电感、电阻、永磁体磁链等参数也将影响观察器的后果的准确性。
第三步：电机转子地点观察器
实际上，当取得转子的磁链矢量时，即可经过arctan()函数盘算出电机转子地点，但是实践中此办法盘算取得的电机角度纹波毛刺过大，后需一个低通滤波器。此电机控制库使用正交锁相环QPLL对磁链矢量举行处理，即可取得低毛刺的转子地点信号。
第四步：上位机软件Motor-Expert 2.0
Motor-Expert 2.0软件是PI公司针对其电机控制软件计划的调试软件，经过串口与目标控制器举行数据交互，完成参数设置、下令设置、数据回传等功效。
具体使用步调如下：
-本人位机内烧写电机控制软件
-毗连经过USB毗连下位机至PC
-点击上位机菜单栏‘Connect’，在弹出的对话框中，选择对应的串标语，仅有选择了准确的串标语，才干举行后续的利用
-设置参数：
??点击‘Configuration’
??‘Motor Configuration’，电机旋转朝向，顺时针大概逆时针，看需求选择
??‘Current Feedback’，逆变电路参数选择，我使用的DER-870开发板使用的器件为BRD1267，转换电阻为10000 Ohm
??‘Motor Stall Monitoring’、‘Current Limit Monitoring’、‘Speed Limit Monitoring’等依据必要变动
??‘Motor Parameters’，依据实践填写母线电压、电机电阻、电感
??点击‘Phasing’，此页面的参数对应电机的启动历程参数，当发觉点击无法启动，大概启动时过流，需调治此页参
??电流重修、磁链观察器的参数可暂且使用默许参数
??点击‘Control’，分散举行电流环的参数调治、转速换参数调治，即可举行电机的恒转速控制。
-当电机可以较为安定的运转后，点击‘Vector Estimation’,我碰到的主要是‘Stator Manitude Regular’下的积分项‘KI’参数过大，招致终极盘算后果角度偏差过大，D轴电流过大，体现出母线电流过大，我将‘KI’参数减小，‘KP’参数加大之后，转速安定的情况下，母线电流大幅度减小。
在电机实践启动历程，先经过给定安稳的矢量电流举行相位对齐，此时电时机转动一个小角度，产生发抖，这是此类无感算法的特点。在电机开环拖动历程中，假如产生分明发抖，必要调停开环拖动时期的PWM占空比参数，有条件的，应经过测试装备及时监测电机转速，比力设定的开环拖动参数，推断开环拖动形态下对否产生电机转子磁场矢量与电磁矢量之间节奏不一律（PWM参数太小时，电机转子转速小于电磁矢量的转速）。在开环形态到闭环形态，此时容易产生振动，必要减弱速率环的PI参数，使其转速环功能变软。当闭环控制安定之后，即可举行转速环指令的调停。
总结
本次测评，总体以为是上手很快，浪费了很多时间。由于使用了官方Demo所使用的单片机开发板，整个Demo顺遂运转起来照旧比力简便，基本上是放工之后后读读官方的干系文档，然后依照Demo文档所述毗连硬件，再毗连上位机调参即可。由于我使用的电机电感比力小，以是在电流环的调治、磁链观察器调治上占用了一定的时间。所劳绩的履历就是了解软件的基本算法布局，有利于依据电机的运转情况调治参数。
同时，由于PI BridgeSwitch?功率器件典范事情电压为340V，电压品级为400V，最大击穿电压为600V，故在市电下，颠末一级简便的整流滤波后，即可作为目标装备的功率供电，比拟力传统的方案，省去了DCDC电路，节流了本钱。经过直接对市电举行整流后，使用此套方案，即可用在电扇、空调、油烟机等稀有的家用电器之中，在产物尺寸、本钱等方面都具有分明的上风。
同时，也有一些发起，以渴望更好的提升。由于基于磁链的观察器，过于依托反电动势，关于极低速形态下，无法安定运转，发起到场高频注入观察器、扩展卡尔曼观察器等举行低速区的过渡。别的，发起上位机提供二次开发接口，作为子历程运转在客户的使用步骤下。
