有感FOC控制閘機電機驅(qū)動系統(tǒng)探析

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摘要：介紹了一種基于磁場導向控制的閘機電機驅(qū)動系統(tǒng)，構(gòu)建了一套完整的硬件和軟件系統(tǒng)，使用了“一控雙驅(qū)”設計架構(gòu)，實現(xiàn)了更好的同步性，也減少了空間占用；針于“控制-驅(qū)動”應用電路中的電平不兼容問題，使用了獨立元件，設計了一套電平轉(zhuǎn)換電平，實現(xiàn)了電平轉(zhuǎn)換的低延遲和高效率，降低的電路設計的復雜度，減少了元器件的使用；分析了電機的運動過程，精確控制了電機磁場和方向，按照開關(guān)閘門運動曲線完成了閘機的開啟和關(guān)閉；設計了硬件和軟件兩方面的過流、過壓保護措施，實現(xiàn)了運動到位后的電力抱閘功能，減少了機械抱閘機構(gòu)，節(jié)約了成本。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)的電機轉(zhuǎn)矩較平穩(wěn)、噪聲較小、效率更高，并且也具有更好的高速動態(tài)響應性，達到了設計效果。

關(guān)鍵詞：磁場導向控制；閘機系統(tǒng)；一控兩驅(qū)；電平兼容

0引言

閘機系統(tǒng)被廣泛應用于地鐵、機場、辦公樓、生活社區(qū)等場所，用于收費或身份驗證，尤其是近兩年來，伴有新冠疫情的爆發(fā)，閘機作為安防系統(tǒng)中的重要設備，與人臉識別設備、測溫系統(tǒng)、云掃碼系統(tǒng)等結(jié)合，應用范圍越來越廣泛，前景也愈加廣闊。但傳統(tǒng)的有刷電機結(jié)構(gòu)[2]或者“無刷電機+離合器”結(jié)構(gòu)[1]都存在一定的問題：有刷電機受電刷壽命影響，壽命周期短；無刷電機+離合器結(jié)構(gòu)無疑增加了使用成本和機械設計復雜程序，因此采用一套改良的電機驅(qū)動控制系統(tǒng)，使用無刷電機預定位自鎖功能，不但可以滿足閘機系統(tǒng)的功能要求，而且可以減少離合器機械結(jié)構(gòu)，降低機械設計難度和減小設備占用空間。電機的驅(qū)動控制，是閘機系統(tǒng)的重要組成部分。其精確控制，不但可提高開關(guān)閘門速度，提高通行效率，還可減小噪聲、運行平順，提升使用者的舒適度。本系統(tǒng)的電機選用直流無刷電機，此種電機轉(zhuǎn)子為磁極，定子為線圈，轉(zhuǎn)動過程不損耗電刷，受到普遍使用。由于“六步換相”方法控制算法[3]比較簡單，所以市面上很多驅(qū)動系統(tǒng)采用了“六步換相”算法，隨著科技的進步和人類體驗感的提升，磁場矢量算法越來越受到關(guān)注，該算法精確控制了電機磁場和方向，具有控制更精確、減少噪聲等優(yōu)勢[4]，因此有必要開發(fā)出一套基于磁場矢量控制算法的電機驅(qū)動控制系統(tǒng)實現(xiàn)閘機電機的控制。

1閘機驅(qū)動硬件方案

閘機一般為兩道閘門結(jié)構(gòu)，對應兩套無刷電機，通常設計中使用“一控一驅(qū)、一一對應、相互獨立”設計模式，這樣控制較為簡單，但會增加產(chǎn)品成本，兩道閘門的同步性也會變差?？紤]到電機動作的同步性和成本優(yōu)勢，本文采用“一控雙驅(qū)”方式實現(xiàn)硬件設計，即一個控制MicrocontrollerUnit（以下簡稱MCU）控制兩個驅(qū)動單元，這樣開關(guān)閘門動作都由一個MCU發(fā)出，避免了命令發(fā)出的異步性，有助于兩臺電機同時動作，也減少了設備空間占用，為機械設計帶來方便。

1.1硬件控制方案

硬件控制核心芯片選用某公司的GD32F101RCT6芯片，該芯片采用了ARMCortex-M332位內(nèi)核，最高主頻可達108MHz，適用-40～85℃工業(yè)級溫度范圍，有通用的GPIO、USART、TIMER、I2C等接口[5]，可滿足本系統(tǒng)的使用?？刂葡到y(tǒng)主要實現(xiàn)上位通信模塊、紅外探測信號模塊、消防系統(tǒng)的接口模塊、外圍聲光模塊和控制電機模塊等功能。上位通信模塊使用串口轉(zhuǎn)藍牙模塊，管理員通過App軟件或上位機軟件，與閘機設備建立連接，對閘機系統(tǒng)的參數(shù)設置和讀取。該芯片的FLASH具有模擬EE⁃PROM掉電保存功能，可實時保存閘機系統(tǒng)的參數(shù)。紅外探測信號模塊使用了6組紅外探測模塊，可兼容NPN和PNP兩種信號輸出，根據(jù)6組模塊的邏輯組合，實現(xiàn)對通道中行人位置的判斷。消防系統(tǒng)模塊主要實現(xiàn)在消防模式下，實現(xiàn)開關(guān)閘機的命令。系統(tǒng)中含有備用的UPS電池，防止在系統(tǒng)斷電后，通道無法打開，影響使用者的安全。外圍聲光模塊主要實現(xiàn)系統(tǒng)的輸出、顯示控制，使用者可根據(jù)不同的聲光狀態(tài)，判斷不同的情況?？刂齐姍C模塊通過GPIO、串口等方式實現(xiàn)對電機驅(qū)動電路的控制，通過不同的IO狀態(tài)，實現(xiàn)電機的開關(guān)閘機速度和位置控制。

1.2硬件驅(qū)動方案

硬件驅(qū)動芯片采用某公司的FU6832芯片，該芯片集成電機控制引擎（ME）和8051內(nèi)核的高性能電機驅(qū)動專用芯片，電機控制引擎集成foc、MDU、LPF、PI、SVPWM/SPWM等諸多硬件模塊，可硬件自動完成電機FOC/BLDC運算控制；8051內(nèi)核用于參數(shù)配置和日常事務處理，雙核并行工作實現(xiàn)各種高性能電機控制。其中8051內(nèi)核大部分指令周期為1T或2T，芯片內(nèi)部集成有高速運算放大器、比較器、Pre-driver、高速ADC、高速乘/除法器、CRC、SPI、I2C、UART、LIN、多種TIMER、PWM等功能，內(nèi)置高壓LDO，適用于BLDC/PMSM電機的方波、SVPWM/SPWM、FOC驅(qū)動控制[6]。

1.3硬件電平轉(zhuǎn)換電路

由于主控MCU采用了3.3V電平電路，而驅(qū)動電路采用了5V的電平電路，雙方在通訊過程中存在電平不兼容、信號無法接收、甚至損壞硬件等問題。因此，利用圖1電路使用二極管、三極管設計了一套電平轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)電平的兼容轉(zhuǎn)換。VDD_EXT表示輸入電平3.3V，TXVDD表示主控MCU芯片的通訊TTL電平發(fā)送端，RXVDD表示主控MCU芯片的通訊TTL電平的接收端；RX2、TX2表示驅(qū)動電路中芯片的TTL電平端，使用+5V電平。以MCU端發(fā)送數(shù)據(jù)到+5V端RX為例，詳細說明一下電平轉(zhuǎn)換過程：當TXVDD為高電平3.3V時，由于VDD_EXT與TXVDD同為高電平，此時三極管無法導通，RX2電平為上位電阻上電平，即高電平+5V；當TXVDD為低電平0V時，三極管的基極B（VDD_EXT）與發(fā)射極E間存在電壓差，有電流通過，此時BE導通、CE導通，由于TXVDD為低電平0V，那么受CE導通影響，RX2電平與TXVDD電平一致，同為低電平0V。這樣以來，在MCU的TXVDD側(cè)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)發(fā)送的兼容與同步。以MCU的接收端接收+5V端TX2數(shù)據(jù)為例，當TX2為高電平+5V時，RXVDD端電平為VDD_EXT，即3.3V，由于二極管單向?qū)ň壒剩?.3V電平電流無法流入+5V中，故電路無法導通，RXVDD電平仍為VDD_EXT，即+3.3V；當TX2端為低電平0V時，RXVDD端電平為VDD_EXT，此時兩邊電壓差大于0.7V，二極管導通，即RXVDD端電壓與TX2電壓一致，為低電平0V。如此以來，MCU的RXVDD端也實現(xiàn)了電平的兼容與同步。

2閘機驅(qū)動軟件方案

閘機驅(qū)動軟件是系統(tǒng)的重要組成部分，它主要完成電機驅(qū)動算法控制、電機狀態(tài)控制。

2.1電機驅(qū)動算法控制

系統(tǒng)采用磁場導向控制（Field-orientedControl，F(xiàn)OC）算法[7]。FOC算法的實質(zhì)是運用坐標變換將三相靜止坐標系下的電機相電流轉(zhuǎn)換到相對于轉(zhuǎn)子磁極軸線靜止的旋轉(zhuǎn)坐標系上，通過控制旋轉(zhuǎn)坐標系下的矢量大小和方向達到控制電機目的[8]。由于定子上的電壓量、電流量、電動勢等都是交流量[9]，并都以同步轉(zhuǎn)速在空間上不斷旋轉(zhuǎn)，控制算法難以實現(xiàn)控制。通過坐標變換之后，旋轉(zhuǎn)同步矢量轉(zhuǎn)換成靜止矢量，電壓量和電流量均變?yōu)橹绷髁?。再根?jù)轉(zhuǎn)矩公式，找出轉(zhuǎn)矩與旋轉(zhuǎn)坐標系上的被控制量之間關(guān)系，實時計算和控制轉(zhuǎn)矩所需的直流給定量，從而間接控制電機達到其性能。但是實際上，由于各直流量都是虛構(gòu)的，在物理上并沒有實際意義，因而應用到實際系統(tǒng)中，還需通過逆變換變?yōu)閷嶋H的交流給定值。實現(xiàn)過程如下[10-13]。（1）測量電機運行時三相定子電流，可得到Ia、Ib、Ic。將三相電流通過Clark變換至兩相電流Iα和Iβ，其是相互正交的時變電流信號。（2）Iα和Iβ通過Park變換得到旋轉(zhuǎn)坐標系下的電流Id和Iq。在電機達到穩(wěn)定狀態(tài)時，Id和Iq是常量。此時所使用的轉(zhuǎn)子位置為上一次迭代計算出來的角度值。（3）Id的參考值決定了電機轉(zhuǎn)子磁通量，Iq的參考值決定了電機的轉(zhuǎn)矩輸出大小，二者各自的實際值與參考值進行比較得到的誤差，作為電流環(huán)PI控制器的輸入。通過PI控制計算輸出得到Vd和Vq，即要施加到電機繞組上的電壓矢量。（4）有傳感器FOC根據(jù)Hall信號或者通過無感估算計算出轉(zhuǎn)子位置和電機轉(zhuǎn)速。新的轉(zhuǎn)子角度可告知FOC算法下一個電壓矢量在何處。計算出的電機轉(zhuǎn)速將用于電機狀態(tài)的切換，環(huán)路切換，堵轉(zhuǎn)保護等子功能模塊的數(shù)據(jù)支持。（5）利用新的電機角度，Vd和Vq經(jīng)過Park逆變換到兩相靜止坐標系上。該計算將產(chǎn)生下一個正交電壓值Vα和Vβ。再采用SVPWM算法判定其合成的電壓矢量位于哪個扇區(qū)，計算出三相各橋臂開關(guān)管的導通時間。最后經(jīng)過三相逆變器驅(qū)動模塊輸出電機所需的三相電壓。在本系統(tǒng)中，電機驅(qū)動算法采用FOC控制的雙PI雙環(huán)控制算法，采用Id=0，Iq非零的控制策略。Iq控制電機的轉(zhuǎn)矩。本軟件系統(tǒng)根據(jù)測量到的速度信息對電機進行實時的速度閉環(huán)控制，根據(jù)采集到的速度信息與目標值作比較，作為電流內(nèi)環(huán)的輸入，同時將電流目標值與輸入作比較，從而實現(xiàn)電流內(nèi)環(huán)的閉環(huán)控制[14]。

2.2電機狀態(tài)控制程序

在電機控制中，為了方便程序控制，在系統(tǒng)中使用狀態(tài)機來展示系統(tǒng)的不同狀態(tài)，同時也方便對系統(tǒng)狀態(tài)進行切換控制。在本系統(tǒng)中電機的幾個狀態(tài)分為：初始化、順逆風檢測、啟動、運行、預對齊停止、錯誤6個狀態(tài)。初始化過程主要完成對參數(shù)的初始化，根據(jù)電機和硬件電路的參數(shù)對程序參數(shù)和芯片寄存器進行初始化。完成初始化后，自動進入順逆風檢測狀態(tài)，如有錯誤發(fā)生，則直接進行錯誤模塊流程。電機的順逆風檢測狀態(tài)是在電機啟動之前，對電機所處的狀態(tài)（正向高速轉(zhuǎn)動，正向低速轉(zhuǎn)動，靜止狀態(tài)，反向低速轉(zhuǎn)動，反向高速轉(zhuǎn)動）進行檢測。電機不同的順逆風狀態(tài)，需要不同的啟動策略以提高系統(tǒng)啟動的可靠性。啟動根據(jù)上一狀態(tài)的檢測結(jié)果，配置相關(guān)啟動參數(shù)，啟動FOC模塊。讀取一次Hall狀態(tài)，將角度信息給到角度估算模塊，然后進行啟動。同時將系統(tǒng)狀態(tài)切換至運行。在運行狀態(tài)下，電機已經(jīng)處于速度-電流雙閉環(huán)運行狀態(tài)，電機的運行Kp、Ki參數(shù)的實時調(diào)整，達到理想的運行效果。預對齊停止狀態(tài)下，電機停止運轉(zhuǎn)，同時利用電機內(nèi)部的電氣特性，高頻保持一定的電流實時變化，實現(xiàn)電機使用電力鎖軸抱閘的目的。錯誤狀態(tài)包括HALL傳感器故障、過欠壓保護、過零丟失、堵轉(zhuǎn)保護和過零保護等5個故障。這些故障每個故障都會引起電機運行狀態(tài)錯誤，還會引發(fā)安全風險，因此錯誤狀態(tài)模塊中斷是各個模塊中優(yōu)先級最高的。

2.3閘機電機運行曲線

電機運行曲線是軟件對電機控制的直接體現(xiàn)，也是閘機運行性能的主要參考，例如電機響應快慢直接決定了每分鐘通行人數(shù)多少。一般來說，閘機的開關(guān)曲線如圖2所示，分為快速啟動、勻速運行和急速剎車等個過程。在t1階段，電機采用S形加速算法快速達到運行速度；在t2階段，電機平滑勻速運行；在t3階段，采用S形減速算法快速剎車歸零，由于剎車速度過快，常常采取施以反向電流、推高反電動勢的方法急速剎車。在本程序中，加減速算法使用S形速度算法。與常見的梯形算法相比，S形加減速的最重要特征是該算法的加速度/減速度曲線的形狀如字母S，它形成的速度規(guī)劃曲線更平滑，從而能夠減少對控制過程中的沖擊，而T形曲線在加速到勻速的切換過程中，實際中存在較大過沖，電機運行不平穩(wěn)。

3結(jié)束語

本文結(jié)合社會需求和實際產(chǎn)品應用，設計了一套完整的硬件和軟件系統(tǒng)，提出了“一控制雙驅(qū)動”的系統(tǒng)架構(gòu)，詳細闡述了每個模塊的作用和實現(xiàn)方式，針對控制與驅(qū)動電路中的電平不兼容問題，也設計了高效電路實現(xiàn)，同時也介紹了磁場矢量控制算法，將算法和實際軟件編程應用結(jié)合，細分了軟件模塊程序，對于閘機運動控制曲線也做了詳細的描述，系統(tǒng)通過了現(xiàn)場實驗驗證。結(jié)果表明，該系統(tǒng)滿足實際要求需要，實現(xiàn)了閘機的電機驅(qū)動控制，可使電機按照預定的速度曲線動作，從方波控制平滑切換到了正弦波控制，性能也優(yōu)于簡單的BLDC六步換相法，同時此方案硬件選型采用全國產(chǎn)化芯片，是一款優(yōu)良的國產(chǎn)化電機驅(qū)動方案，具有良好的使用價值和推廣前景。

作者:趙慧萍 劉振強 單位:中船重工集團公司第七一三研究所