有感FOC控制閘機電機驅動系統探析

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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動系統，構建了一套完整的硬件和軟件系統，使用了“一控雙驅”設計架構，實現了更好的同步性，也減少了空間占用；針于“控制-驅動”應用電路中的電平不兼容問題，使用了獨立元件，設計了一套電平轉換電平，實現了電平轉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，按照開關閘門運動曲線完成了閘機的開啟和關閉；設計了硬件和軟件兩方面的過流、過壓保護措施，實現了運動到位后的電力抱閘功能，減少了機械抱閘機構，節約了成本。實驗結果表明，系統的電機轉矩較平穩、噪聲較小、效率更高，并且也具有更好的高速動態響應性，達到了設計效果。

關鍵詞：磁場導向控制；閘機系統；一控兩驅；電平兼容

0引言

閘機系統被廣泛應用于地鐵、機場、辦公樓、生活社區等場所，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，閘機作為安防系統中的重要設備，與人臉識別設備、測溫系統、云掃碼系統等結合，應用范圍越來越廣泛，前景也愈加廣闊。但傳統的有刷電機結構[2]或者“無刷電機+離合器”結構[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+離合器結構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動控制系統，使用無刷電機預定位自鎖功能，不但可以滿足閘機系統的功能要求，而且可以減少離合器機械結構，降低機械設計難度和減小設備占用空間。電機的驅動控制，是閘機系統的重要組成部分。其精確控制，不但可提高開關閘門速度，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。本系統的電機選用直流無刷電機，此種電機轉子為磁極，定子為線圈，轉動過程不損耗電刷，受到普遍使用。由于“六步換相”方法控制算法[3]比較簡單，所以市面上很多驅動系統采用了“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、減少噪聲等優勢[4]，因此有必要開發出一套基于磁場矢量控制算法的電機驅動控制系統實現閘機電機的控制。

1閘機驅動硬件方案

閘機一般為兩道閘門結構，對應兩套無刷電機，通常設計中使用“一控一驅、一一對應、相互獨立”設計模式，這樣控制較為簡單，但會增加產品成本，兩道閘門的同步性也會變差。考慮到電機動作的同步性和成本優勢，本文采用“一控雙驅”方式實現硬件設計，即一個控制MicrocontrollerUnit（以下簡稱MCU）控制兩個驅動單元，這樣開關閘門動作都由一個MCU發出，避免了命令發出的異步性，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位內核，最高主頻可達108MHz，適用-40～85℃工業級溫度范圍，有通用的GPIO、USART、TIMER、I2C等接口[5]，可滿足本系統的使用。控制系統主要實現上位通信模塊、紅外探測信號模塊、消防系統的接口模塊、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，對閘機系統的參數設置和讀取。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的參數。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6組模塊的邏輯組合，實現對通道中行人位置的判斷。消防系統模塊主要實現在消防模式下，實現開關閘機的命令。系統中含有備用的UPS電池，防止在系統斷電后，通道無法打開，影響使用者的安全。外圍聲光模塊主要實現系統的輸出、顯示控制，使用者可根據不同的聲光狀態，判斷不同的情況。控制電機模塊通過GPIO、串口等方式實現對電機驅動電路的控制，通過不同的IO狀態，實現電機的開關閘機速度和位置控制。

1.2硬件驅動方案

硬件驅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內核的高性能電機驅動專用芯片，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內核用于參數配置和日常事務處理，雙核并行工作實現各種高性能電機控制。其中8051內核大部分指令周期為1T或2T，芯片內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，內置高壓LDO，適用于BLDC/PMSM電機的方波、SVPWM/SPWM、FOC驅動控制[6]。

1.3硬件電平轉換電路

由于主控MCU采用了3.3V電平電路，而驅動電路采用了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換電路實現電平的兼容轉換。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表示驅動電路中芯片的TTL電平端，使用+5V電平。以MCU端發送數據到+5V端RX為例，詳細說明一下電平轉換過程：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側實現了數據發送的兼容與同步。以MCU的接收端接收+5V端TX2數據為例，當TX2為高電平+5V時，RXVDD端電平為VDD_EXT，即3.3V，由于二極管單向導通緣故，3.3V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端也實現了電平的兼容與同步。

2閘機驅動軟件方案

閘機驅動軟件是系統的重要組成部分，它主要完成電機驅動算法控制、電機狀態控制。

2.1電機驅動算法控制

系統采用磁場導向控制（Field-orientedControl，FOC）算法[7]。FOC算法的實質是運用坐標變換將三相靜止坐標系下的電機相電流轉換到相對于轉子磁極軸線靜止的旋轉坐標系上，通過控制旋轉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]，并都以同步轉速在空間上不斷旋轉，控制算法難以實現控制。通過坐標變換之后，旋轉同步矢量轉換成靜止矢量，電壓量和電流量均變為直流量。再根據轉矩公式，找出轉矩與旋轉坐標系上的被控制量之間關系，實時計算和控制轉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的，在物理上并沒有實際意義，因而應用到實際系統中，還需通過逆變換變為實際的交流給定值。實現過程如下[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變換得到旋轉坐標系下的電流Id和Iq。在電機達到穩定狀態時，Id和Iq是常量。此時所使用的轉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子磁通量，Iq的參考值決定了電機的轉矩輸出大小，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Hall信號或者通過無感估算計算出轉子位置和電機轉速。新的轉子角度可告知FOC算法下一個電壓矢量在何處。計算出的電機轉速將用于電機狀態的切換，環路切換，堵轉保護等子功能模塊的數據支持。（5）利用新的電機角度，Vd和Vq經過Park逆變換到兩相靜止坐標系上。該計算將產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，計算出三相各橋臂開關管的導通時間。最后經過三相逆變器驅動模塊輸出電機所需的三相電壓。在本系統中，電機驅動算法采用FOC控制的雙PI雙環控制算法，采用Id=0，Iq非零的控制策略。Iq控制電機的轉矩。本軟件系統根據測量到的速度信息對電機進行實時的速度閉環控制，根據采集到的速度信息與目標值作比較，作為電流內環的輸入，同時將電流目標值與輸入作比較，從而實現電流內環的閉環控制[14]。

2.2電機狀態控制程序

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

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，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多少。一般來說，閘機的開關曲線如圖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。

3結束語

本文結合社會需求和實際產品應用，設計了一套完整的硬件和軟件系統，提出了“一控制雙驅動”的系統架構，詳細闡述了每個模塊的作用和實現方式，針對控制與驅動電路中的電平不兼容問題，也設計了高效電路實現，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，系統通過了現場實驗驗證。結果表明，該系統滿足實際要求需要，實現了閘機的電機驅動控制，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，性能也優于簡單的BLDC六步換相法，同時此方案硬件選型采用全國產化芯片，是一款優良的國產化電機驅動方案，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