基于MM32SPIN电机/电源专用芯片的无传感弦波驱动应用方案——手持式吸尘器

 
设计简介

在生活水平高度现代化的今天,吸尘器已经成了清洁家庭的智慧家庭必备小家电。吸尘器是利用电机高速运转,形成空气负压,使尘箱内局部真空,从而吸附尘屑这一运作原理完成清扫的一种现代清洁工具。主要由起尘、吸尘、滤尘三部分组成。本文简单介绍基于MM32SPIN25的无传感弦波驱动技术于“手持式吸尘器”的应用实例。

 

方案特色:

  • ARM Cortex-M0高性能电机驱动专用芯片

  • 主频高达96MHz

  • 内建32位硬件除法器

  • 内建多组比较器和运放

  • 180度无传感波驱动

  • 电机转速可达100000rpm (2极电机)

  • 速度命令输入可为模拟电压或PWM信号, 並可由FG反饋實際轉速

  • 定转速或恒功率运转

  • 支持多种数据通信接口:UART IIC SPI

  • 完整的保护机制: 过流保护、过压保护、欠压保护、过温保护、堵转保护、进风口堵塞保护

 

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1. 左图:常见的25.2V/380W手持式吸尘器电机

右图:采用MM32SPIN25PF之驱动板

 

2.  无传感弦波驱动技术原理

于此介绍无传感波驱动的技术原理与实现方法.

下图2为弦波磁场导向驱动电机控制框图。流程一开始是由外部输入讯号读取目标速度命令, 经过闭回路加速度斜率控制器运算后, 得到可提供速度PI控制器的速度命令,接着用此速度命令与反馈的实际速度, 经由PI 控制器计算之后产生力矩电流命令Iq。

磁场导向控制器(FOC)功能方块接收到此力矩电流命令及电机的估测角度后, 经过三相电流的反馈、坐标转换、 电流环PI计算、及空间矢量调制(SVPWM)等法则运算, 由此获得要逼近目标转速所需求的三相PWM占空比数据, 之后将此数据产生PWM输出给予外部的电力驱动组件, 以此驱动电机运转。

在磁场导向控制器功能方块产生PWM 讯号的过程中, 滑模估测器(SMO)功能方块负责产生电机运转所需要的估测角度及速度。

 

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2无传感弦波磁场导向(FOC)软件控制框图

 

下图3为滑模角度估测系统细部的框图, 滑模角度估测器由四个主要功能方块所组成。首先由电流估测器产生估测电流, 并用此估测电流与量测的实际电流Ialfa, Ibeta的差值, 经过bang-bang 控制与低通滤波功能方块运算后, 产生估测的BEMF电压值Ealfa, Ebeta, 将此估测的电压值经过反正切的计算后即可得到估测的转子角度。

 

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3滑模估测(SMO)转子角度估测软件控制框图

 

本方案的磁场导向控制(FOC)主要有三个坐标转换计算, Clarke转换、Park转换及逆变换Park转换, 目的是要能够控制电机的磁场电流Id及力矩电流Iq, 以实现电机的转速控制。这个理论是由F. Blaschke 在1972年所提出的。

Clarke 坐标转换:

目的是将三相电流的三轴(a, b, c)坐标系统转换为2轴坐标系统。以下算式为Clarke 坐标转换方程式。

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4Clarke 坐标转换及其方程式


Park 坐标转换:

将静态的2轴坐标系统转换为电机同步旋转的2轴(d, q)坐标系统。d轴表转子磁通电流方向及大小, q轴表力矩电流。以下算式为Park 坐标转换方程式。

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5Park 坐标转换及其方程式

 

逆变换Park 的坐标转换:

将电机同步旋转的2轴(d, q)坐标系统转换回静态的2轴坐标系统。以下算式为逆变换Park的坐标转换方程式。

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6逆变换Park 坐标转换及其方程式

 

3.   硬件设计

MM32SPIN25PF内建的比较器和运放,简化了电机驱动板的设计.手持式吸尘器电机驱动板的参考原理图如下:

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7. 基于MM32SPIN25PF的手持式吸尘器

电机驱动板原理



4.   弦波驱动的相电流波形

本应用案例采用180度波驱动,在300W运转下的相电流波形如下:

 

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8300W运转下的弦波相电流波形


堵住进风口时的转速可达100000rpm,弦波相电流波形如下:

 

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9. 进风口堵塞时的相电流波形


5.   结论

MM32SPIN25PF是灵动微电子推出的高性能电机驱动专用芯片,高达96MHz的主频及32位硬件除法器能满足无传感磁场导向(FOC)弦波算法的高速运算需求。其内建的比较器和运放,更大大地简化了电机驱动板的设计,减少了整套方案BOM成本。

 
 

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