BLDC微型汽車電機的電子控制

背景：原始提案

我們的項目專注于改進電動汽車電機的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以前由 UDA E-Team（厄瓜多爾阿蘇埃大學(xué)的簡稱）在賽車比賽中使用。該項目提出了控制器的第三個版本（第一個和第二個版本是用不同的微控制器建模的）。借助新的 Arduino Portenta，我們不僅希望提高電機能效，增加新的電流和電壓傳感器，還希望改善控制器多個階段的整體電子設(shè)計，例如預(yù)驅(qū)動器、功率級等等。

背景：UDA 電子團隊

Universidad del Azuay 此前曾參加過電動汽車競賽。在其中一個內(nèi)容中，UDA 的學(xué)生和教授設(shè)計并實現(xiàn)了電動賽車卡丁車。該實施包括開發(fā)主要用于控制和監(jiān)控中型無刷直流 (BLDC) 電機的電氣和電子電路。

學(xué)生設(shè)計了很多電路，其中包括許多不同類型的晶體管，例如 MOSFET、IGBT、COOLMOS 等。這些器件用于為電機創(chuàng)建三相驅(qū)動器。然而，這項任務(wù)是系統(tǒng)中最復(fù)雜和最關(guān)鍵的任務(wù)之一。需要許多設(shè)計和嘗試來創(chuàng)建能夠根據(jù)用戶命令使電機移動的三相驅(qū)動器。

除了最初的問題，該團隊還面臨許多其他缺點：由于運輸和定制時間，我國的 PCB 制造速度較慢。由于電路板內(nèi)附近設(shè)備中大電流的影響，電源系統(tǒng)的 PCB 設(shè)計要困難得多。糟糕的設(shè)計也會導(dǎo)致散熱問題。預(yù)算限制以及測試它們的電子設(shè)備和設(shè)備的可用性是團隊必須克服的另一個限制。

因此，電機有一個專為開環(huán)控制而設(shè)計的電路。電機運行良好，但我們需要監(jiān)控其他參數(shù)并添加閉環(huán)控制以提高各種情況下的性能。

提案

• 改進我們的 BLDC 電機的三相驅(qū)動器
• 閉環(huán)控制器：梯形控制和磁場定向控制（FOC）
• 獲取電機的霍爾傳感器信號和電流傳感器信號
• 使用 Arduino Portenta 集成所有部件
• 使用 Altium Designer 為所有部件設(shè)計新的 PCB

新設(shè)計

新設(shè)計由多個 PCB 組成，適合使用 Arduino Portenta 調(diào)整所有部件。

由于 Portenta 使用 3.3 V，我們決定創(chuàng)建一個小型適配器板來為我們的新控制器提供電壓水平。

前置驅(qū)動板由STRDRIVE601芯片組成，三路半橋高壓門極驅(qū)動，兼容3.3V輸入（如Portenta），一般用于驅(qū)動下一級功率晶體管. 該芯片周圍環(huán)繞著其他元素，以適應(yīng)其所有功能。例如，我們可以使用帶有放大器和幾個無源元件的簡單電路來監(jiān)控來自電機相位的電流。對于輸入，我們可以完全控制電機的三相，也可以簡單地輸入一個電壓電平來加速或制動電機。

電源驅(qū)動板由六個半橋 MOSFET 驅(qū)動器組成。由于電機使用的電流超過了單個 MOSFET 可以驅(qū)動的最大電流，因此我們?yōu)槊總€驅(qū)動器相位并聯(lián)了三個 MOSFET，總共有 18 個器件。

為了能夠監(jiān)控電機各相吸收的電流，在每個驅(qū)動器相中添加了精密大功率電阻器。

編碼

我們將代碼基于一個名為SimpleFOC的開源庫，該庫是為 Arduino 制作的。該庫為 BLDC 和其他電機實現(xiàn)了 FOC 算法。該算法允許根據(jù)每個電機上可用的反饋（傳感器）完全控制 BLDC 電機，包括位置、扭矩和速度。

我們基于 SimpleFOC 庫的示例創(chuàng)建了三個不同的代碼來測試電機：

1. Vel1.ino。這個 Arduino 草圖是第一個測試。它只是由一個模擬輸入（加速器/油門）組成，它決定了電機的速度。這個簡單的測試使我們能夠評估電機特性和 PCB 功能。在此模式下，電機以開環(huán)控制運行。
2. Vel2.ino。制作這個 Arduino 草圖是為了使用嵌入在電機中的霍爾傳感器來測試之前的功能。我們對此進行了測試以檢查霍爾傳感器讀數(shù)的準(zhǔn)確性，以便我們可以對常數(shù)進行一些調(diào)整。
3. Vel3.ino。在最后的草圖中，我們調(diào)用庫中的函數(shù)進行 FOC 速度控制并設(shè)置 PID 控制器參數(shù)。

結(jié)論和注釋

• 與新的 Arduino Portenta 合作，我們感到非常高興和興奮。在本次比賽之前，我們回顧了這款設(shè)備的新功能，我們期待看到我們還能用它做些什么。
• 因為這是一款新設(shè)備，新 Portenta 的一些功能無法與 SimpleFOC 庫一起使用。例如，我們有 Portenta 分線板，但庫與分線板的庫不兼容。因此，即使有超過 9 個 PWM 端口可用，我們也只能使用其中的 6 個（Portenta 板上的那些）。這足以控制電機驅(qū)動器。但是，我們需要更改庫中的幾個值以使用所有 PWM 引腳。最后，我們需要做更多的實驗，這樣我們才能驅(qū)動我們的半橋驅(qū)動器的所有高端和低端。目前，Portenta Board 及其庫與 SimpleFOC 庫并不完全兼容。
• 為了利用 Portenta 處理器的速度，我們想讀取功率晶體管板上的分流電阻器中的所有電流值。但是，Arduino 中的命令analogRead() 的處理似乎仍然很慢。同樣，我們需要做更多的實驗（例如，使用板的多線程能力）來運行與 PID 和 FOC 算法分離的模擬讀取（）過程。
• 我們對結(jié)果非常滿意，但我們需要對代碼進行更多的實驗和改進，以實現(xiàn)一個只使用 Portenta 板及其所有功能的干凈實現(xiàn)。
• 此演練中可用的其他文件包含此項目中使用的設(shè)計和代碼。此外，圖片和視頻顯示了系統(tǒng)的運行情況。

審核編輯：劉清