为客户赋能，澎湃微携自主核心技术大力开拓电机MCU市场

2022-05-05

澎湃微推出自主电机核心算法的BLDC电机设计平台Thor v1.0

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澎湃微电子自2019年成立以来，陆续推出适用于BLDC方向的PT32x031和PT32x030系列产品。

经过近一年的努力，在电机算法及解决方案上不停探索，正式对外发布Thor V1.0 BLDC电机设计平台。

Thor v1.0 BLDC电机设计平台介绍

该设计平台为客户提供适用于BLDC电机的，以澎湃微系列MCU及核心算法为基础的电机调试系统及参考设计，包括上位机调试软件、电机开发板、参考设计代码库等工具。基于该平台，客户可以使用Thor V1.0的电机开发板，迅速搭建电机测试开发环境，并在澎湃微自主核心电机算法的基础上，利用上位机软件，调整电机参数以适配不同的电机，较快完成电机方案的开发和测试工作。

澎湃微BLDC电机参考解决方案介绍

BLDC电机是一个非线性、强耦合、高阶、多变量的复杂对象，实际运行工况也非常复杂。诸多电机参数会在电机运行中发生着一定程度的变化，如受温度的影响，电阻会发生变化；受到磁场饱和的影响，定子、转子电感会发生变化；如果使用永磁体励磁，那么温度也会影响磁钢的特性与励磁的强弱，这些变化都影响着交流电机的实际控制性能。

随着自动控制技术的发展，参数辨识技术、自适应控制技术、故障诊断保护技术、基于神经网络和模糊控制等先进的控制算法，逐步融入到电动机控制技术中，以提高调速系统的快速性、稳定性和鲁棒性。澎湃微紧跟电机控制技术的发展，提出的BLDC电机参考解决方案包括电机控制策略和故障诊断手段，为客户提供整套完整的解决方案，见图1。

图1 澎湃电机控制解决方案

磁场定向控制(FOC)

BLDC电机控制性能在FOC（Field Orientation Vector Control）控制技术问世后才得到了质的飞跃。FOC控制提倡的是励磁电流与转矩电流的解耦控制，从而使磁场控制与转矩控制得到兼顾，克服了交流电动机自身耦合的不足。

当我们拿到一个三相无刷电机时，当手转动电机然后用示波器观察电机的三根信号线，能够看到输出的是三个相位相差120度的正弦波形，因为电动机反过来就是发电机。因为控制常用的就是闭环控制，而检测正弦波比较困难，那么FOC主要做的工作就是解耦，就是将复杂的信号拆解成比较容易分析的量。

图2 澎湃微FOC控制算法框图

方波控制

BLDC 电机无感方波控制应用范围广泛，主要是其控制方法简单，一个电周期只需要换相六次，即只需要变换电压矢量六次，算法处理简单，一般只需要很低成本的 MCU 即能解决，采用无感控制节省了传感器，使电机制造减少了工序和故障率；本文主要讲述澎湃微BLDC 电机无感方波控制的调试方法方案中过零检测使用 ADC 采集反电动势，检测其过零后进行积分，积分到固定阈值时进行换相的方式。其设计框图大致如下：

图3 澎湃微方波控制方案框图

无感控制的主要任务就是对转子位置进行估计，两种基本技术如下：

基于反电动势感应的技术：反电动势过零来进行换相，要求反电动势足够高，速度范围在额定转速的5%至100%；

基于电机电感凸极的技术：瞬态电流测量，速度范围为0至标称速度的约20%；

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方波驱动时，定子电流为相位差别120°的方波，电机的反电动势为梯形波，Z为反电动势的过零点，S则为定子电流的换相点。

图4 直流无刷电机的方波驱动电流和反电势波形

Thor v1.0 电机硬件工具介绍

澎湃微为电机客户提供了多个电机开发板，便于客户迅速搭建电机开发测试硬件平台。

基于030的BLDC电机高压驱动评估板 · 支持85Vac~265的宽电压输入，最大输出5A的驱动电流 · 非隔离驱动，提供隔离的基于PC调试用的UART隔离串口 · 双电阻采样模式，基于FOC算法驱动无感直流无刷电机 · 过流、过压、欠压等保护措施 · 通过板载可调电阻调速、或通过PC测试软件控制运行	图5 BLDC电机控制高压评估板
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基于030的BLDC电机低压驱动评估板 · 利用PLL估算器和FM技术实现BLDC的FOC控制 · 高频注入估算转子起始位置 · 采用择多函数实现反电动势滤波的无感六步方波控制 · 过流、过压、欠压等保护措施 · 通过板载可调电阻调速、或通过PC测试软件控制运行	图6 BLDC电机控制低压评估板
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基于031的BLDC电机控制落地扇评估板 · 利用PLL估算器和FM技术实现BLDC的FOC控制 · 高频注入估算转子起始位置 · 堵转、缺陷、过流、过压、欠压等保护措施 · 正弦波驱动交流同步电机实现风扇摇头功能 · 支持0-5V的直流电压调速、PWM占空比调速、频率调速	图7 基于031的BLDC电机控制落地扇评估板

Thor v1.0 电机软件工具介绍

澎湃微为电机客户提供了包含电机驱动核心算法的SDK，以及用于电机参数调试的上位机软件，便于客户调试和测试电机，完成电机方案的设计。

FOC驱动SDK

· 基于PT32x031 通用MCU 的直流低压（< 40VDC）直流无刷电机参考设计

· 基于PT32x030 通用MCU 的直流低压（< 40VDC）直流无刷电机参考设计

· 提供基于FOC 的软件库，以加快用户方案设计

· 提供基于PC 端的监控及调试软件

· 提供软件库及调试工具

方波驱动SDK

· 基于PT32x031和PT32x030

· 采用传统6 步方波驱动方案

· 一路PWM 输出控制半桥的上管，下管由IO 驱动

· 采样未导通相电压，通过比较器或ADC 采样判断反电动势过零点

· 通过择多函数(Majority Function)滤波，滤除干扰

· 提供参考PI 速度控制

关键算法库

· Clark 逆变换/park 逆变换

· PI 控制器

· SVPWM

· 基于滑膜观测器-PLL 电机角度及速度估算算法

· 支持HFI（高频方波注入）检测电机起始角度

· 开环加速控制

电机算法库结构

澎湃微支持的电机驱动库重要开发理念是软件能够在不同器件或平台之间轻松移植。因此，应用软件分为两个独立的代码部分。

· 硬件相关代码（取决于所用的硬件板和MCU 器件的外设模块），包括MCU 和外设模块初始化、I/O 控制驱动程序以及中断服务例程处理。

· 硬件无关代码（纯粹的BLDC 电机控制应用）

图8 算法库控制系统架构

图9 算法库结构

电机调测监控上位机软件

上位机软件包括以下特性：

· APP 软件运行于PC 端，通过6Mbps的串口与开发板实时通信

· 能同时实时显示5路数据波形

· 以图形控件方式显示速度角度电流电压等参数

· 支持PI参数在线调试，可以实时查看对应PI控制器的数据波形

· 支持与电机驱动板的参数同步

· HFI 调试阶段能实时显示当前转子位置

图10 上位机界面

支持电机类型举例

澎拜微目前已经调测过的一系列电机，下面是这些电机及其相关重要参数。

航模电机：

· 12V 32A 大扭力电机，4极对，最大转速5万转/分

· 澎拜微提供基于比较器+方波驱动参考代码

· 提供FOC驱动参考代码

图11 支持的电机类型

吸尘器电机1：

· 18VDC 280瓦，1极对，最大转速7.5万转/分

· 澎拜微提供基于比较器+方波驱动参考代码

· 提供FOC驱动参考代码

吸尘器电机2：

· 29.6VDC 380瓦，1极对，最大转速10万转/分

· 澎拜微提供基于比较器+方波驱动参考代码

· 提供FOC驱动参考代码

电动工具无刷电机：

· 24V3A, 1极对，最大转速2万转/分

· 澎拜微提供基于比较器+方波驱动参考代码

· 提供FOC驱动参考代码

直流无刷电机带霍尔信号：

· 24V60瓦, 5极对，最大转速3000转/分

· 澎拜微提供基于比较器+方波驱动参考代码

· 提供FOC驱动参考代码

水泵电机带霍尔信号：

· 24V5A, 5极对，最大转速3500转/分

· 提供FOC驱动参考代码

吹风机高速电机：

· 120V 60瓦, 1极对，最大转速10000转/分

· 220V 60瓦, 1极对，最大转速11000转/分

· 提供FOC驱动参考代码

BLDC电机（Brushless Direct Current Motor）的诞生，克服了有刷直流电机的先天性缺陷，以电子换向器取代了机械换向器。BLDC电机既具有直流电机良好的调速性能等特点，又具有交流电机结构简单、无换向火花、运行可靠和易于维护等优点。

BLDC电机目前正在逐步替代传统电机，并且充分契合了下游应用领域节能减排的趋势，已经在汽车、家电、工业自动化、航空航天及医疗设备领域获得广泛的应用。预计全球BLDC电机市场规模将从2018年的153.6亿美元，增长到2023年的210亿美元，年均增长率为6.5%；预计2018年至2023年期间中国BLDC电机市场规模年均增速达15%，超过全球市场的增长速度。

图12 2018-2023年全球BLDC电机市场规模分析及预测

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澎湃微把电机市场作为专注的细分市场，将致力于为客户提供核心技术及完整解决方案，为合作伙伴赋能。在推出Thor v1.0之后，澎湃微还会不断提升和优化该平台的能力，以适应客户的需求，加快中国电机市场的发展。