有感FOC控制閘機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)探析

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摘要：介紹了一種基于磁場(chǎng)導(dǎo)向控制的閘機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了更好的同步性，也減少了空間占用；針于“控制-驅(qū)動(dòng)”應(yīng)用電路中的電平不兼容問(wèn)題，使用了獨(dú)立元件，設(shè)計(jì)了一套電平轉(zhuǎn)換電平，實(shí)現(xiàn)了電平轉(zhuǎn)換的低延遲和高效率，降低的電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，減少了元器件的使用；分析了電機(jī)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，精確控制了電機(jī)磁場(chǎng)和方向，按照開(kāi)關(guān)閘門(mén)運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)完成了閘機(jī)的開(kāi)啟和關(guān)閉；設(shè)計(jì)了硬件和軟件兩方面的過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)措施，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)到位后的電力抱閘功能，減少了機(jī)械抱閘機(jī)構(gòu)，節(jié)約了成本。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)的電機(jī)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(dòng)態(tài)響應(yīng)性，達(dá)到了設(shè)計(jì)效果。

關(guān)鍵詞：磁場(chǎng)導(dǎo)向控制；閘機(jī)系統(tǒng)；一控兩驅(qū)；電平兼容

0引言

閘機(jī)系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于地鐵、機(jī)場(chǎng)、辦公樓、生活社區(qū)等場(chǎng)所，用于收費(fèi)或身份驗(yàn)證，尤其是近兩年來(lái)，伴有新冠疫情的爆發(fā)，閘機(jī)作為安防系統(tǒng)中的重要設(shè)備，與人臉識(shí)別設(shè)備、測(cè)溫系統(tǒng)、云掃碼系統(tǒng)等結(jié)合，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，前景也愈加廣闊。但傳統(tǒng)的有刷電機(jī)結(jié)構(gòu)[2]或者“無(wú)刷電機(jī)+離合器”結(jié)構(gòu)[1]都存在一定的問(wèn)題：有刷電機(jī)受電刷壽命影響，壽命周期短；無(wú)刷電機(jī)+離合器結(jié)構(gòu)無(wú)疑增加了使用成本和機(jī)械設(shè)計(jì)復(fù)雜程序，因此采用一套改良的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，使用無(wú)刷電機(jī)預(yù)定位自鎖功能，不但可以滿(mǎn)足閘機(jī)系統(tǒng)的功能要求，而且可以減少離合器機(jī)械結(jié)構(gòu)，降低機(jī)械設(shè)計(jì)難度和減小設(shè)備占用空間。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制，是閘機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分。其精確控制，不但可提高開(kāi)關(guān)閘門(mén)速度，提高通行效率，還可減小噪聲、運(yùn)行平順，提升使用者的舒適度。本系統(tǒng)的電機(jī)選用直流無(wú)刷電機(jī)，此種電機(jī)轉(zhuǎn)子為磁極，定子為線(xiàn)圈，轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)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(jiǎn)單，所以市面上很多驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用了“六步換相”算法，隨著科技的進(jìn)步和人類(lèi)體驗(yàn)感的提升，磁場(chǎng)矢量算法越來(lái)越受到關(guān)注，該算法精確控制了電機(jī)磁場(chǎng)和方向，具有控制更精確、減少噪聲等優(yōu)勢(shì)[4]，因此有必要開(kāi)發(fā)出一套基于磁場(chǎng)矢量控制算法的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閘機(jī)電機(jī)的控制。

1閘機(jī)驅(qū)動(dòng)硬件方案

閘機(jī)一般為兩道閘門(mén)結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)兩套無(wú)刷電機(jī)，通常設(shè)計(jì)中使用“一控一驅(qū)、一一對(duì)應(yīng)、相互獨(dú)立”設(shè)計(jì)模式，這樣控制較為簡(jiǎn)單，但會(huì)增加產(chǎn)品成本，兩道閘門(mén)的同步性也會(huì)變差?？紤]到電機(jī)動(dòng)作的同步性和成本優(yōu)勢(shì)，本文采用“一控雙驅(qū)”方式實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)計(jì)，即一個(gè)控制MicrocontrollerUnit（以下簡(jiǎn)稱(chēng)MCU）控制兩個(gè)驅(qū)動(dòng)單元，這樣開(kāi)關(guān)閘門(mén)動(dòng)作都由一個(gè)MCU發(fā)出，避免了命令發(fā)出的異步性，有助于兩臺(tái)電機(jī)同時(shí)動(dòng)作，也減少了設(shè)備空間占用，為機(jī)械設(shè)計(jì)帶來(lái)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(dá)108MHz，適用-40～85℃工業(yè)級(jí)溫度范圍，有通用的GPIO、USART、TIMER、I2C等接口[5]，可滿(mǎn)足本系統(tǒng)的使用?？刂葡到y(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)上位通信模塊、紅外探測(cè)信號(hào)模塊、消防系統(tǒng)的接口模塊、外圍聲光模塊和控制電機(jī)模塊等功能。上位通信模塊使用串口轉(zhuǎn)藍(lán)牙模塊，管理員通過(guò)App軟件或上位機(jī)軟件，與閘機(jī)設(shè)備建立連接，對(duì)閘機(jī)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置和讀取。該芯片的FLASH具有模擬EE⁃PROM掉電保存功能，可實(shí)時(shí)保存閘機(jī)系統(tǒng)的參數(shù)。紅外探測(cè)信號(hào)模塊使用了6組紅外探測(cè)模塊，可兼容NPN和PNP兩種信號(hào)輸出，根據(jù)6組模塊的邏輯組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)通道中行人位置的判斷。消防系統(tǒng)模塊主要實(shí)現(xiàn)在消防模式下，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)閘機(jī)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(wú)法打開(kāi)，影響使用者的安全。外圍聲光模塊主要實(shí)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。控制電機(jī)模塊通過(guò)GPIO、串口等方式實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的控制，通過(guò)不同的IO狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的開(kāi)關(guān)閘機(jī)速度和位置控制。

1.2硬件驅(qū)動(dòng)方案

硬件驅(qū)動(dòng)芯片采用某公司的FU6832芯片，該芯片集成電機(jī)控制引擎（ME）和8051內(nèi)核的高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)專(zhuān)用芯片，電機(jī)控制引擎集成foc、MDU、LPF、PI、SVPWM/SPWM等諸多硬件模塊，可硬件自動(dòng)完成電機(jī)FOC/BLDC運(yùn)算控制；8051內(nèi)核用于參數(shù)配置和日常事務(wù)處理，雙核并行工作實(shí)現(xiàn)各種高性能電機(jī)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(yùn)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(jī)的方波、SVPWM/SPWM、FOC驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路采用了5V的電平電路，雙方在通訊過(guò)程中存在電平不兼容、信號(hào)無(wú)法接收、甚至損壞硬件等問(wèn)題。因此，利用圖1電路使用二極管、三極管設(shè)計(jì)了一套電平轉(zhuǎn)換電路實(shí)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(dòng)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(xì)說(shuō)明一下電平轉(zhuǎn)換過(guò)程：當(dāng)TXVDD為高電平3.3V時(shí)，由于VDD_EXT與TXVDD同為高電平，此時(shí)三極管無(wú)法導(dǎo)通，RX2電平為上位電阻上電平，即高電平+5V；當(dāng)TXVDD為低電平0V時(shí)，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(guò)，此時(shí)BE導(dǎo)通、CE導(dǎo)通，由于TXVDD為低電平0V，那么受CE導(dǎo)通影響，RX2電平與TXVDD電平一致，同為低電平0V。這樣以來(lái)，在MCU的TXVDD側(cè)實(shí)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(dāng)TX2為高電平+5V時(shí)，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(wú)法流入+5V中，故電路無(wú)法導(dǎo)通，RXVDD電平仍為VDD_EXT，即+3.3V；當(dāng)TX2端為低電平0V時(shí)，RXVDD端電平為VDD_EXT，此時(shí)兩邊電壓差大于0.7V，二極管導(dǎo)通，即RXVDD端電壓與TX2電壓一致，為低電平0V。如此以來(lái)，MCU的RXVDD端也實(shí)現(xiàn)了電平的兼容與同步。

2閘機(jī)驅(qū)動(dòng)軟件方案

閘機(jī)驅(qū)動(dòng)軟件是系統(tǒng)的重要組成部分，它主要完成電機(jī)驅(qū)動(dòng)算法控制、電機(jī)狀態(tài)控制。

2.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)算法控制

系統(tǒng)采用磁場(chǎng)導(dǎo)向控制（Field-orientedControl，F(xiàn)OC）算法[7]。FOC算法的實(shí)質(zhì)是運(yùn)用坐標(biāo)變換將三相靜止坐標(biāo)系下的電機(jī)相電流轉(zhuǎn)換到相對(duì)于轉(zhuǎn)子磁極軸線(xiàn)靜止的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上，通過(guò)控制旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的矢量大小和方向達(dá)到控制電機(jī)目的[8]。由于定子上的電壓量、電流量、電動(dòng)勢(shì)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(shí)現(xiàn)控制。通過(guò)坐標(biāo)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(biāo)系上的被控制量之間關(guān)系，實(shí)時(shí)計(jì)算和控制轉(zhuǎn)矩所需的直流給定量，從而間接控制電機(jī)達(dá)到其性能。但是實(shí)際上，由于各直流量都是虛構(gòu)的，在物理上并沒(méi)有實(shí)際意義，因而應(yīng)用到實(shí)際系統(tǒng)中，還需通過(guò)逆變換變?yōu)閷?shí)際的交流給定值。實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下[10-13]。（1）測(cè)量電機(jī)運(yùn)行時(shí)三相定子電流，可得到Ia、Ib、Ic。將三相電流通過(guò)Clark變換至兩相電流Iα和Iβ，其是相互正交的時(shí)變電流信號(hào)。（2）Iα和Iβ通過(guò)Park變換得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電流Id和Iq。在電機(jī)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，Id和Iq是常量。此時(shí)所使用的轉(zhuǎn)子位置為上一次迭代計(jì)算出來(lái)的角度值。（3）Id的參考值決定了電機(jī)轉(zhuǎn)子磁通量，Iq的參考值決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出大小，二者各自的實(shí)際值與參考值進(jìn)行比較得到的誤差，作為電流環(huán)PI控制器的輸入。通過(guò)PI控制計(jì)算輸出得到Vd和Vq，即要施加到電機(jī)繞組上的電壓矢量。（4）有傳感器FOC根據(jù)Hall信號(hào)或者通過(guò)無(wú)感估算計(jì)算出轉(zhuǎn)子位置和電機(jī)轉(zhuǎn)速。新的轉(zhuǎn)子角度可告知FOC算法下一個(gè)電壓矢量在何處。計(jì)算出的電機(jī)轉(zhuǎn)速將用于電機(jī)狀態(tài)的切換，環(huán)路切換，堵轉(zhuǎn)保護(hù)等子功能模塊的數(shù)據(jù)支持。（5）利用新的電機(jī)角度，Vd和Vq經(jīng)過(guò)Park逆變換到兩相靜止坐標(biāo)系上。該計(jì)算將產(chǎn)生下一個(gè)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(gè)扇區(qū)，計(jì)算出三相各橋臂開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間。最后經(jīng)過(guò)三相逆變器驅(qū)動(dòng)模塊輸出電機(jī)所需的三相電壓。在本系統(tǒng)中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)的轉(zhuǎn)矩。本軟件系統(tǒng)根據(jù)測(cè)量到的速度信息對(duì)電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)的速度閉環(huán)控制，根據(jù)采集到的速度信息與目標(biāo)值作比較，作為電流內(nèi)環(huán)的輸入，同時(shí)將電流目標(biāo)值與輸入作比較，從而實(shí)現(xiàn)電流內(nèi)環(huán)的閉環(huán)控制[14]。

2.2電機(jī)狀態(tài)控制程序

在電機(jī)控制中，為了方便程序控制，在系統(tǒng)中使用狀態(tài)機(jī)來(lái)展示系統(tǒng)的不同狀態(tài)，同時(shí)也方便對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行切換控制。在本系統(tǒng)中電機(jī)的幾個(gè)狀態(tài)分為：初始化、順逆風(fēng)檢測(cè)、啟動(dòng)、運(yùn)行、預(yù)對(duì)齊停止、錯(cuò)誤6個(gè)狀態(tài)。初始化過(guò)程主要完成對(duì)參數(shù)的初始化，根據(jù)電機(jī)和硬件電路的參數(shù)對(duì)程序參數(shù)和芯片寄存器進(jìn)行初始化。完成初始化后，自動(dòng)進(jìn)入順逆風(fēng)檢測(cè)狀態(tài)，如有錯(cuò)誤發(fā)生，則直接進(jìn)行錯(cuò)誤模塊流程。電機(jī)的順逆風(fēng)檢測(cè)狀態(tài)是在電機(jī)啟動(dòng)之前，對(duì)電機(jī)所處的狀態(tài)（正向高速轉(zhuǎn)動(dòng)，正向低速轉(zhuǎn)動(dòng)，靜止?fàn)顟B(tài)，反向低速轉(zhuǎn)動(dòng)，反向高速轉(zhuǎn)動(dòng)）進(jìn)行檢測(cè)。電機(jī)不同的順逆風(fēng)狀態(tài)，需要不同的啟動(dòng)策略以提高系統(tǒng)啟動(dòng)的可靠性。啟動(dòng)根據(jù)上一狀態(tài)的檢測(cè)結(jié)果，配置相關(guān)啟動(dòng)參數(shù)，啟動(dòng)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(jìn)行啟動(dòng)。同時(shí)將系統(tǒng)狀態(tài)切換至運(yùn)行。在運(yùn)行狀態(tài)下，電機(jī)已經(jīng)處于速度-電流雙閉環(huán)運(yùn)行狀態(tài)，電機(jī)的運(yùn)行Kp、Ki參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)整，達(dá)到理想的運(yùn)行效果。預(yù)對(duì)齊停止?fàn)顟B(tài)下，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)利用電機(jī)內(nèi)部的電氣特性，高頻保持一定的電流實(shí)時(shí)變化，實(shí)現(xiàn)電機(jī)使用電力鎖軸抱閘的目的。錯(cuò)誤狀態(tài)包括HALL傳感器故障、過(guò)欠壓保護(hù)、過(guò)零丟失、堵轉(zhuǎn)保護(hù)和過(guò)零保護(hù)等5個(gè)故障。這些故障每個(gè)故障都會(huì)引起電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)錯(cuò)誤，還會(huì)引發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)，因此錯(cuò)誤狀態(tài)模塊中斷是各個(gè)模塊中優(yōu)先級(jí)最高的。

2.3閘機(jī)電機(jī)運(yùn)行曲線(xiàn)

電機(jī)運(yùn)行曲線(xiàn)是軟件對(duì)電機(jī)控制的直接體現(xiàn)，也是閘機(jī)運(yùn)行性能的主要參考，例如電機(jī)響應(yīng)快慢直接決定了每分鐘通行人數(shù)多少。一般來(lái)說(shuō)，閘機(jī)的開(kāi)關(guān)曲線(xiàn)如圖2所示，分為快速啟動(dòng)、勻速運(yùn)行和急速剎車(chē)等個(gè)過(guò)程。在t1階段，電機(jī)采用S形加速算法快速達(dá)到運(yùn)行速度；在t2階段，電機(jī)平滑勻速運(yùn)行；在t3階段，采用S形減速算法快速剎車(chē)歸零，由于剎車(chē)速度過(guò)快，常常采取施以反向電流、推高反電動(dòng)勢(shì)的方法急速剎車(chē)。在本程序中，加減速算法使用S形速度算法。與常見(jiàn)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(xiàn)的形狀如字母S，它形成的速度規(guī)劃曲線(xiàn)更平滑，從而能夠減少對(duì)控制過(guò)程中的沖擊，而T形曲線(xiàn)在加速到勻速的切換過(guò)程中，實(shí)際中存在較大過(guò)沖，電機(jī)運(yùn)行不平穩(wěn)。

3結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合社會(huì)需求和實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一套完整的硬件和軟件系統(tǒng)，提出了“一控制雙驅(qū)動(dòng)”的系統(tǒng)架構(gòu)，詳細(xì)闡述了每個(gè)模塊的作用和實(shí)現(xiàn)方式，針對(duì)控制與驅(qū)動(dòng)電路中的電平不兼容問(wèn)題，也設(shè)計(jì)了高效電路實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也介紹了磁場(chǎng)矢量控制算法，將算法和實(shí)際軟件編程應(yīng)用結(jié)合，細(xì)分了軟件模塊程序，對(duì)于閘機(jī)運(yùn)動(dòng)控制曲線(xiàn)也做了詳細(xì)的描述，系統(tǒng)通過(guò)了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，該系統(tǒng)滿(mǎn)足實(shí)際要求需要，實(shí)現(xiàn)了閘機(jī)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，可使電機(jī)按照預(yù)定的速度曲線(xiàn)動(dòng)作，從方波控制平滑切換到了正弦波控制，性能也優(yōu)于簡(jiǎn)單的BLDC六步換相法，同時(shí)此方案硬件選型采用全國(guó)產(chǎn)化芯片，是一款優(yōu)良的國(guó)產(chǎn)化電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案，具有良好的使用價(jià)值和推廣前景。

作者:趙慧萍 劉振強(qiáng) 單位:中船重工集團(tuán)公司第七一三研究所