纯硬件FOC驱动BLDC

1. 硬件FOC

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 ID 与空间垂直电流 IQ。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。

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。 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。

2. 驱动电路设计

2.1 整体设计

采用 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． 3 V 供电，编码器使用 5 V 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 ～ 60 V。

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。

2.2 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］。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。

2.3 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［11］，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。

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

2.4 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。