2021年第40卷第6期传感器与微系统(Transducer and Microsystem Technologies)
89
DOI ： 10.13873/J. 1000-9787(2021)06-0089-03
*收稿日期=2019-09-25
*基金项目：2018年度南充市科技计划项目(18GXJS0014)
王其军J 杨坤S 苏占彪彳，杨峰'
(1•西南石油大学石油与天然气工程学院，四川成都610500；2.西南石油大学机电工程学院，四川成都610500；
3.四川中匠科技有限公司，四川南充637000)
摘 要：针对目前无刷直流电机(BLDC)驱动器尺寸大、控制效果不理想、稳定性差等问题，设计了基于硬 件矢量控制(FOC)的无刷直流电机驱动器。以TMC4671为控制核心，通过电流采集电路实时跟踪相电 流，通过编码器获得电机实时位置信息，通过半桥驱动电路驱动电机。TMC4671为硬件FOC 芯片，内部通 过硬件的方式实现FOC 算法。对比软件方式，运算速度更快、稳定性更高。该駆动器的设计能能够为相 关开发人员提供参考，并且由于芯片集成度高，尺寸小，使得高性能的嵌入式电机控制成为可能。关键词：矢量控制；无刷直流电机；电机驱动
中图分类号：TM33 文献标识码：A 文章编号：1000-9787(2021)06-0089-03
Design of BLDC motor driver based on hardware FOC
WANG Qijun 1, YANG Kun 2, SU Zhanbiao 3, YANG Feng 3
(1. School of Petroleum Engineering , Southwest Petroleum University , Chengdu 610500, China ；
2. School of Mechanical Engineering , Southwest Petroleum University , Chengdu 610500, China ；
3. Sichuan Zhongjiang Technology Co Ltd , Nanchong 637000, China )
Abstract : Aiming at the problems of large size , unsatisfactoiy control effect and poor stability of brushless DC
motor driver,a brushless DC motor driver based on hardware field oriented control ( FOC) is designed. This driver takes TMC4671 as the control core , tracks the phase current through the cunent acquisition circuit , obtains the
real-lime position information of lhe motor ihrough the encoder,and drives the motor through lhe half-bridge drive circuit. TMC4671 is hardware FOC chip , FOC algorithm is implemented by hardware internaily. Compared with
software , the algorithm is faster and more stable ・ The design of the drive can provide reference for relevant developer , and due to the high integration and the compact size , it is possible to achieve high performance
embedded motor control.
Keywords : field oriented control ( FOC) ； brushless DC( BLDC) motor ； motor driver
0引言
与有刷直流电机相比，无刷直流电机(brushless DC, BLDC)用电子换向器取代了机械换向器，因此BLDC 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，广泛应用 于电子数码消费品、工业控制、医疗设备、家用电器等领
域⑴。BLDC 的驱动控制的方式有方波驱动与正弦波驱
动。方波驱动控制简单，但会产生刺耳的噪音，在电机的低 速状态下非常难控制；尽管正弦波驱动能够做到平滑的换
向，在低速状态也具有良好的控制效果，但在高速状态下，
由于电流环必须跟踪频率不断升高的弦波信号，还要克服 由于振幅和频率不断提高的电机反电动势，当达到控制器 的极限带宽时，这种控制就失去了作用。矢量控制(field oriented control,FOC)既具有正弦波驱动的平滑控制，又解
决了高速状态下失控的问题，并且由于其控制特点，能够使
电机运行更加高效⑵。本文设计了基于FOC 的BLDC 驱 动器。
1 FOC 工作原理
在BLDC 中，电机的转子受到两个力的作用：1)由空间
平行电流/D 施加的拉力;2)由空间垂直电流/Q 施加的转 矩。扭矩使电机产生转动，而拉力阻碍电机运动。因此在 理想的矢量控制执行闭环电流调节时，使人为0，使人为
控制所需的力矩。FOC 的核心思想即是通过坐标 变换的方式直接控制人与人，其实现过程如下：首先,FOC
90传感器与微系统第40卷
将三相定子电流作为电流矢量（乙；厶，；兀），并计算三个电压矢量（UuM;%），依据不同坐标下，产生磁动势相同，且变换前后功率不断，电流变换阵与电压变换阵统一的原则，考虑转子的转动方向，通过Clark变换，将静止的三坐标系转换为静止的两坐标系。其次，在两坐标系基础上，矢量控制将两相定子电流作为电流矢量（厶；厶），并计算两个电压矢量（乞；5），考虑转子的转动方向，通过Park变换，将静止的两坐标系转换为旋转的两坐标系/d[3'6]o
图1为采用FOC的方式控制BLDC电机的过程，经由FOC变换（Clark与Park变换），将三相电流转换为空间平行电流g与空间垂直电流/q。经过FOC逆变化逆（Clark 变换与逆Park变换），将两相电流转换为三相电流用于控制电机；由于在Park变换与逆Park变换时需要旋转坐标与静止坐标轴的夹角，这里的编码器信号需要同时进入FOC 变换与FOC逆变换中⑺。
图1矢量控制理过程
2FOC相关参数
通过坐标变换的方式，将静态的三相电流转换为旋转的两相电流，只需控制两相电流/…与％，便能达到对电机的控制。为此，需要在静态参数外（如电机的极对数、编码器每转一圈的脉冲、编码器相对于转子磁轴的方向、编码器计数方向），再添加一些动态参数，如定子线圈电流、转子角度。除此之外，用于闭环相电流控制的两个PI控制器中的P参数与I参数的调整取决于电机的电气参数，如电机的电阻、电感、反电动势常数，及供电电压。
定子线圈电流的测量是FOC计算定子磁场的必要条件，而定子磁场是由流经定子线圈的电流引起的，电机转矩与电机电流成正比，因此，定子线圈电流在FOC中代表电机转矩。电机转矩由电机转矩常数决定，方向由转子相对于定子磁场的运动方向决定。
转子角度是无刷电机控制的重要参数。转子角度的确定大致有两种方式，第一，通过位置传感器获得，如模拟编码器、数字编码器、霍尔传感器；第二，依据电机的数学模型，只依靠电压电流信息计算转子角度，实现无传感器测量，但这种方式在低速和零速状态下难以获得较好的位置估计⑻。
转子角度由编码器测量，对于编码器而言，每转动一圈的脉冲数（PPR）是重要的参数,PPR与编码器结构有关。在FOC中，磁场的旋转方向须与编码器信号所表示的转子位置运动方向一致，当磁场正向旋转时，编码器的位置需要转换为相同的正方向，当磁场逆向旋转时，需要变为相同的负方向。因此需要在使用编码器时进相对方向的行初始化。
在FOC中，两个PI控制器的P参数及1参数也是至关重要的，其中一个PI控制器控制产生转矩的电流％，另一个则是控制/d为0。
3硬件FOC
硬件FOC芯片TMC4671是一个完全集成的控制器，包含了完整的控制回路架构（位置闭环、速度闭环、转矩闭环）、用于通信所需的外围接口、用于反馈（电流、电压测量、编码器、霍尔传感器）的信号接口，以及一些有用的附加引脚。作为模块化的硬件，能够负责所有关键的实时任务，将实时的矢量控制、实时的子任务（电流测量、位置传感器信号处理、脉宽调制（pulse width modulation,PWM）信号生成与用户的应用分离出来，简化的目标任务。
TMC4671内部由应用程序接口、寄存器库、ADC通道、编码器通道、FOC转矩PI控制器、速度PI控制器、位置P控制器以及PWM输出通道组成，其中ADC采集通道将原始的ADC数据通过缩放映射到内部的电流控制环路，内部FOC转矩PI控制器所需的所有转换（Clark变换、Park变换、逆Clark变换、逆Park变换），都是由纯硬件搭建。相比于软件构成的控制系统，运算速度得到了极大的提高，使得它可以支持最高的控制环路速度和PWM频率。
组合屋
TMC4671作为SOC（片上系统），大大减少了所需组件的数量，更重要的是，它减少了PCB空间。与传统的电机伺服控制（由电机的线缆与编码器和单独的控制盒连接）相比，硬件矢量控制芯片高度集成，尺寸紧凑、性能高，使其能够轻松实现电机的嵌入式控制。
4驱动电路设计
4.1整体结构设计
釆用TMC4671芯片为核心，所设计的直流无刷电机驱动器结构如图2所示。其中，单片机、硬件FOC芯片与电流传感器均采用3.3V供电，编码器使用5V供电,MOSFET 驱动电路部分的供电与MOSFET场效应管的选择决定了驱动电机的功率，根据应用条件不同，电压范围在12~60V⑼。
图2驱动器结构
单片机通过SPI通信的方式访问TMC4671芯片中的寄存器，进行初始化编码器方向，以及设置电机极对数、PI控制器参数、电机运动模式等一系列参数，并配合编码器以及
第6期王其军，等：基于硬件FOC 的无刷直流电机驶动器设计
91
电流传感器进行参数的初始化，确保采集的电流信号能够
通过正确的缩放因子进入FOC 控制回路中，使得电机能以
正确的方式进行运动。
所设计的驱动器围绕TMC4671进行外围电路设计，确 保芯片正常运行以及反馈信号、通信信号的采集与传输，最
终控制信号通过MOSFET 电路对电机进行控制。
4.2相电流采集电路
对于三相无刷电机而言，需要测量其两相电流，通过基 尔霍夫定律即可算出另一相的电流。测量相电流主要有两
种方法。一种是采用电阻与差分放大器测量的方式，放大
器如LT1999或AD8418A ；另一种方式是采用电流传感器进 行测量，电流传感器使用霍尔效应或其他磁效应实现电流
的测量，如ASC711,CSNE151[10]o 放大器测量的成本成本 相对较低，而采用电流传感器的方式，可以在较高的电压环
境下进行测量。
4.3编码器采样电路
目前市面上的ABN 编码器通常都是差分信号输入的
编码器，即输出信号为A +,A-,B +,B-,Z +,Z-，其中A 信
号与B 信号为脉冲输出信号，两个信号相差90。的相位差, 根据A 信号超前于B 信号还是滞后于B 信号判断旋转方
向,Z 信号为0位信号，当电机旋转一圈后输出一个脉冲,
采用差分信号的方式具有良好的抗干扰性，能够传输较远
距离⑴I ，在ABZ 三相信号进入硬件FOC 需要通过将差分
信号转换为单端信号，例如使用AD8130或ISL32173。
编码器的参考工作电压通常为5 V，而硬件FOC 工作
在3.3 V 电压下。需要对硬件FOC 输入引脚进行保护，图3
为编码器信号采样电路。
+3.3V
高粱红素O
———输出信号丄5工 lOOpF
图3编码器信号采样电路
原始信号通过分压电阻，并通过一个低通滤波器进行
滤波，在信号进入硬件FOC 中前，使用二极管进行过压与 欠压保护，低通滤波器的截至频率为
f =—-—
（1）J c 2tt R 1C 1
I ）
4.4 MOSFET 驱动电路
三相无刷直流电机的MOSFET 驱动电路通常采用三个
半桥驱动电路实现，每个半桥电路连接电机的一个相线，该
电路可靠性高、外围元件少，驱动能力强。图4为一相的半
桥驱动电路，为确保运行可靠，在靠近电源VM 处放置滤波 电容，以防止超调与振铃，在MOSFET 栅极增加了一个电阻
Rg，确保驱动信号的干净与可靠，在PCB 的布局上，调整桥
的布局变得紧凑，以获得最小的环路电感。
+5V
||4.7kfl
输入信号T 100R
O —1-----------CZ1-T-云朵制造机
O+VM
HSV V 相电流信号
O ----------
LSV [―
u Rg 0
RP
吉
Rg
J_4.7ll F
J±
T H
■cn ―r —o Rs
V 相线圈
W_J =1OOV
图4半桥驱动电路
4.5 实际电路
TMC4671的高度集成化，配合其他集成化芯片，能够做
到尺寸足够小的伺服驱动控制电路板，采用集成芯片所设
计的驱动控制电路板，在印刷电路板（PCB ）两面分布元器 件，图5为所设计的电路板与橡皮擦的尺寸比较图。
图5实际电路板
5实验验证
使用所设计的驱动器应用于杰美康的42JSF630AS- 1000型号直流无刷伺服电机，设定目标转矩为0.5/V XM,
为验证其控制效果，在电机正常运行一段时间后施加一个
外部干扰，图6为电机运行过程中的实际转矩及速度的变
化波形。
o o o O
o o O 8 4 4-实际转矩
食品可追溯系统9
58557
6
人
5间5时554
3
5实际速度
53 54
55
56 57 58 59
E 4800
僉 2400擀0
时间/s
图6实际转矩及速度波形
由图6可以看出：电机在正常运行过程中转速及转矩
波动小，运转平稳，在施加外部干扰后能够迅速进行调整,
回到设定目标值附近。
6结束语
本文介绍了矢量控制的基本原理及相关参数，采用硬
件FOC 芯片TMC4671将该控制方法应用于无刷直流电机, 设计了一种驱动控制器，以硬件的方式实现复杂的算法，较
软件实现的方式运算速度更快、更可靠、更稳定，更重要的
是，采用该方式容易实现电机驱动控制的嵌入式发展，值得
借鉴与推广使用。
（下转第94页
）小型振动器
94传感器与微系统第40卷
表1为本文和其他采用平衡式结构的文献合成效率对比，可以得出，本文的设计思路确实能进一步优化功放的合成效率。
表1合成效率对比
文献频率/GHz合成效率/%输岀功率/Wmide-008
文献[8] 2.02-2.1286200
文献[9] 1.59318.75
本文 1.05-1.1595200
4结论
针对射频传感领域等高线性场景所使用的功率放大器，提出了平衡式结构和谐波抑制相结合的设计思路，既发挥出平衡式功放的优势，又减小了平衡式结构对功放线性的影响。提高了射频功放的工作稳定性和效率，优化了功放的线性。同D寸，由于抑制了谐波频段，使得平衡式功放的合成效率达到95%，合成后功率附加效率也高于30%，表现了较好的优势，对优化传感系统功放设计和提高大功率功放的性能有普遍的借鉴意义。
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姜岩峰(1972-)，男，博士，教授，博士研究生导师，主要研究领域为射频集成电路设计与实现，新型电路结构设计与实现。
(上接第91页)
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作者简介：
王其军(1982-)，男，高级实验师，硕士研究生导师，研究领域为自动控制及仪器仪表。
杨坤(1995-)，男，通讯作者，硕士研究生，研究方向为智能化仪器仪表
。
