發布日期：2022-04-17 點擊率：79
在國防、工業和機器人行業中，許多應用都需要使用嵌入式系統來控制直流無刷 (BLDC) 電機。帶動電機旋轉看似微不足道，可是一旦涉及到電機轉速、扭矩、電氣特性和電磁特性以及電流反饋測量，這就成了相當復雜的問題，并且可能會拖慢項目進度。
這就要求開發人員選擇適當的硬件來運行驅動電機的算法，從而以最少的元器件數量，在應用的整個運動范圍內都可以平穩順暢地控制電機。
我們需要的正是一條捷徑，即某種一體化軟硬件組合包，可以顯著縮短開發時間，使開發人員專注于最終應用，而無需深入了解電機控制的精妙之處。
本文將介紹一個 Texas Instruments 推出的類似組合包，結合該公司的微控制器和開發套件硬件與 InstaSPIN? 磁場定向電機控制軟件和工具。此外，還將說明經驗尚淺的開發人員如何使用該組合，在一小時內輕松確定電機參數并啟動復雜的 BLDC 電機。
Texas Instruments 的 InstaSPIN 解決方案獨特之處在于，即使開發人員對此毫無經驗，也可以在一小時內啟動電機。事實上，開發人員只要使用過該解決方案，那么下一次只需不到十分鐘即可啟動并運行電機。此外，該套件使用磁場定向控制 (FOC) 取代編碼器，因此開發人員只需連接電機電源和接地以及電機的各相，那么便在電氣上準備就緒，而無需編碼器或其他復雜的電子設備。
當然，除 FOC 外，反電動勢過零定時電路等其他控制機制也不使用傳感器或編碼器。不過，InstaSPIN 可以監控電機的磁通量，從而確定電機換向的時間。開發人員可以通過繪圖窗口監控磁通信號，并設置“磁通閾值”滑塊以指定電機換向發生的磁通水平。通過監控所顯示的相電壓和電流波形，可以驗證最佳換向。
InstaSPIN-FOC 解決方案共包含四個主要部分：
微控制器板
電機驅動板
InstaSPIN-FOC 圖形用戶界面 (GUI)
BLDC 電機
智能微控制器板用于運行 FOC 算法，指定電機驅動器何時導通和斷開不同的電機相位，并處理與 GUI 的通信。開發人員可以通過 GUI 查看磁通水平和其他參數。電機驅動器提供驅動實際電機的接口，所含的電路功能包括：保護微控制器免受高壓沖擊、測量以及檢測電機故障。
InstaSPIN-FOC GUI 是通用 GUI，可在 Texas Instruments 的在線開發庫中找到。開發人員可以直接通過 Web 瀏覽器運行 GUI，也可以將可執行版本下載至計算機本地。
最后一項則是三相永磁直流無刷電機。
我們將詳細研究上述各個部分，并探討一個啟動和運行 BLDC 電機的可行硬件解決方案。
開發人員可以選擇幾種不同的解決方案來驅動 BLDC 電機，因此無需費心四處查找：TI 的 InstaSPIN-FOC 和 MotorControl SDK 與該公司的 LAUNCHXL-F280049C TMS320F280049C LaunchPad（圖 1）和 BOOSTXL-DRV8323RS LaunchPad 補充包配合使用。TMS320F28049C LaunchPad 是一款低成本開發板，包括板載 XDS110 調試器、擴展排針和 F280049CPMS TMS320F280049C Piccolo? 微控制器。
圖 1：TMS320F280049C LaunchPad 包括隔離式 USB XDS110 調試探頭、F280049C Piccolo 微控制器，以及可為兩個補充包供電的電子元件。補充包可用于特定應用的硬件。（圖片來源：Texas Instruments）
TMS320F280049C 微控制器使用 C2000 微控制器內核，包括 256 KB 的閃存和 100 KB 的 RAM，工作頻率為 100 MHz。TMS320F280049C 的 ROM 中內置了 TI 的 FOC 電機控制算法，因而開發人員無需浪費寶貴的代碼空間。
TMS320F280049C LaunchPad 并非開發人員使用 TMS320F280049C 微控制器的唯一方式。此外，還可以使用 TMS320F280049C 微控制器的 TMDSCNCD280049C 控制卡（圖 2）。該控制卡可用于原型開發階段，也適用于開發人員希望靈活更換應用所使用的微控制器或增強可擴展性的情況。控制卡可插入塢站使用，使開發人員可以訪問微控制器 I/O。
圖 2：TMS320F280049C 控制卡采用小型模塊封裝，提供電機控制功能，可與塢站配合使用以訪問微控制器的 I/O。（圖片來源：Texas Instruments）
DRV8323RS LaunchPad 補充包是可安插在 TMS320F280049C LaunchPad 上方的擴展板，以添加驅動 BLDC 電機所需的其他硬件（圖 3）。
圖 3：DRV8323RS LaunchPad 補充包包括電機驅動控制器、FET 和用于驅動 BLDC 電機的其他電路。（圖片來源：Texas Instruments）
DRV8232RS 擴展板可安插在擴展區域位置 1 或位置 2，不過位置 1 正是 MotorControl SDK 示例連接的位置。開發人員可以使用三端子連接器將 BLDC 電機接至電路板，并為電路板提供外部電源以驅動電機。DRV8232RS LaunchPad 補充包也可為 TMS320F280049C 開發板供電。該擴展板的 LED 可顯示通電狀態和故障檢測。
DRV8232RS LaunchPad 補充包的核心是 DRV8230 三相智能柵極驅動器。該柵極驅動器可提供低端電流檢測，并能直接驅動額定工作電壓高達 60 V 的 MOSFET。
借助 TMS320F280049C LaunchPad 和 DRV8232RS LaunchPad 補充包，開發人員可以驅動各種 BLDC 電機。Trinamic 推出的 QBL4208-41-04-006 是一款相當合適的入門級電機（圖 4）。
Trinamic 電機使用 24 V 電源供電，轉速高達 4000 RPM，扭矩達 62.5 mNm。
圖 4：Trinamic 的 QBL4208-41-04-006 4000 RPM BLDC 電機使用 24 V 電源供電，扭矩達 62.5 mNm。（圖片來源：Trinamic Motion Control GmbH）
上文已經列出開發人員著手 BLDC 電機控制所需的最精簡物料，下一步則要考慮如何使用 InstaSPIN-FOC GUI 識別電機參數。
使用 InstaSPIN-FOC GUI 驅動電機前，系統需要先了解電機特性，以便對速度或扭矩進行 FOC 控制。為此，算法需要收集以下特性信息：
電阻
電感
電機磁通
磁化電流
InstaSPIN-FOC GUI 只需數分鐘就能自動識別這些特性。GUI 可以在瀏覽器中執行，并默認加載專門與 TMS320F280049C 和 DRV8232 擴展板配合使用的 MotorControl SDK 實驗室 5。實驗室 5 專用于向開發人員演示如何識別電機并獲取其參數。欲了解詳細信息，可查閱 GUI 快速入門指南和實驗室手冊。
首先，開發人員需要通過 TI 開發人員網站打開 InstaSPIN-FOC GUI。然后，在 GUI 環境下，可以找到一個與其他開發 IDE 類似的運行按鈕。單擊此按鈕可將電機識別碼下載至 LaunchPad 并嘗試執行。
一開始可能毫無反應，因為開發人員必須啟用該軟件，即選中 GUI 中的 "Enable System"（啟用系統）復選框。此時，電機識別碼仍然無法運行，因為還需要選中 "Run"（運行）復選框。啟用 "Run"（運行）后，代碼就開始執行識別電機的序列，并且進行必要的測量以獲得運行電機所需的參數。整個識別過程將持續數分鐘，在此期間電機將加速旋轉，然后減速旋轉，并以慢速運行幾分鐘。
這一過程完成后，開發人員就可以在 GUI 上看到如圖 5 所示的界面。
圖 5：完成電機識別后的 InstaSPIN-FOC GUI 界面。（圖片來源：Jacob Beningo）
請注意，在圖 5 中，GUI 右上角的多個參數已填入數值。這些是須記錄的電機參數，以便稍后在扭矩或速度模式下用于驅動電機。此外，您還可以注意到界面左側的 "Motor Identified"（電機已識別）指示燈已由灰色變為綠色。此時，就可以直接通過 GUI 來控制電機轉速。
只需更改 GUI 上 "speedRef(Hz)"（轉速設定值）框中的數值即可控制電機轉速。請注意，通過這一參考值來控制電機加速相當快捷。相比之下，減速則需要輸入多個轉速設定值才能實現，輸入的轉速需逐次遞減。只需取消選中 "Run"（運行）復選框，即可完全停止電機。
開發人員使用 BLDC 電機和 TI 的 InstaSPIN-FOC 解決方案時，可以考慮以下幾個最佳實踐：
選擇內部閃存內置了電機算法的微控制器，以此可節省用于電機算法的代碼空間，并且可以在執行時進行性能提升。
使用 F280049C LaunchPad 的位置 1 作為 DRV8323RS LaunchPad 補充包的默認位，若使用位置 2 將需要對軟件進行更新。
花時間瀏覽 TI MotorControl SDK 中提供的所有 13 個樣例實驗室。這些實驗室涵蓋了從識別電機參數到通過控制速度和轉矩來控制電機所需的所有內容。
使用樣例實驗室 5 來識別電機參數。如果使用 MOTOR_TYPE_PM，請確保還需添加以下定義，以便成功編譯實驗室，并使用調整后的數值：
define #define USER_MOTOR_INERTIA_Kgm2 (7.06154e-06)
通過 InstaSPIN-FOC 在線 GUI 啟動 BLDC 實驗。
驅動 BLDC 電機進行扭矩或速度控制可能是個相當復雜的問題，很有可能會超出嵌入式軟件工程師的知識范疇，從而拖慢項目開發進度。如上所述，借助 Texas Instruments 的 InstaSPIN 和 MotorControl SDK 及相關硬件，即使開發人員對控制工程所知甚少，也可輕松快速地啟動并運行 BLDC 電機。
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