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使用 S12ZVM 实现 BLDC 六步控制速度调节

抽象的

本文介绍了六步 BLDC 电机控制应用的基本扩展程序，重点关注S12ZVM MCU设备。

简介

根据有关 BLDC 速度计算的各种问题，我决定编写此文档以使规模计算清晰明了。如果有需要更详细解释的地方，请将其作为参考和评论。

BLDC六步控制

本文档与 BLDC 电机的六步控制相关，以梯形反电动势形电压而闻名。关键是使用两相直流电流产生扭矩，同时第三相未连接。当转子移动时，相位被切换（换向）以保持定子磁通领先于转子磁通。许多应用笔记（例如AN4718或AN4704）中详细描述了这些原理。换向瞬间可由霍尔传感器或反电动势信号监测（所谓的“无传感器”）驱动。对于磁场定向控制，请参阅AN5135或AN5327中讨论的 PMSM 控制。

速度缩放

与基于霍尔传感器的控制相比，详细描述无传感器算法更有益。然而，方法几乎相同。

时序

电机速度是根据非活动相上的 BEMF 电压的零交叉检测来计算的。这些零交叉事件时间是通过在 ADC 例程检测到零交叉时（或发生霍尔传感器换向事件时）捕获计时器（TIM0CNT）寄存器来测量的。这意味着，时间由定时器 TIM0 设置进行缩放。没有关于如何设置计时器的一般指导。但是，应将计时器设置为覆盖两次换向之间合理数量的刻度（这与高速下的速度精度相关），并且应该能够覆盖非常低的速度下彼此“远离”的两个换向，而不会发生计时器溢出。

一个好的做法是：

两次换向之间至少有 100 个定时器刻度
两次换向之间最大 16 位 = 65535 个刻度

可以使用霍尔传感器事件来遵循相同的方法。

换乘期

在应用中，零交叉（或霍尔传感器）周期由periodZC_F_PhA、periodZC_R_PhA等或periodZC[6]捕获，定义为 tU16 （16 位无符号）。如上所述，使用计时器来捕获周期。

在电动机理论中，我们认识到“电”速度和“机械”速度。“电”速度与旋转场相关。机械转速与转子转速直接相关。这两个速度之间的关系由极点或极对的数量决定：

（1）机械转速=电气转速/极对数=电气转速/（极数/2）

在下文中，我们将讨论三相BLDC 电机。

速度计算

要计算电机的一次“电”旋转 = 6 次换向（或 6 次过零），应将所有 6 个换向时间周期相加。对于这种情况，将生成的“ period6ZC ”定义为 tU32 （或无符号长整型），以防止所有六个 16 位零交叉周期相加时发生溢出。

如果将所有 6 个零交叉周期相加，您将获得每次“电”旋转的计时器滴答数。这意味着，如果电机是 2 极电机（= 1 极对电机），那么它将是转子每次“机械”旋转的时间。在这种情况下：

（2）机械转速=电气转速；

只需将其乘以极对数，即可轻松获得高极电机每次机械旋转的时间。

（3）机械每转一圈的时间 =周期6ZC *极对数

每6个零交叉的周期“ period6ZC ”在控制环路内计算，通常在1毫秒定时器中断程序中计算。由于速度（转子频率）只是一个反转的时间周期，我们可以使用以下代码行来计算实际速度：

（4）实际速度 = 速度计算数字 / 周期6ZC；

现在，如何读取它的刻度以及SPEED_CALC_NUMERATOR是什么？我们假设“ actualSpeed ”是 tFrac32 （1.31 格式的有符号 32 位数字）。这意味着最大小数部分的数字是 1.0，用整数值 2^31 = 2,147,483,648 来表示。为什么要使用 32 位数字而不是 16 位数字是显而易见的 - 因为period6ZC是 32 位值，所以结果应该具有相同的分辨率或宽度。

任务是找到正确的SPEED_CALC_NUMERATOR 。让我们考虑用于捕获零交叉事件时间的 S12ZVM 设备和计时器 TIM0。预分频器设置为 16（TIM0TSCR2_PR = 4），总线时钟为 12.5MHz，定时器滴答为 12.5MHz / 16 = 781.25 kHz，时间尺度为1.28us 。

假设电机的最大机械转速为10,000 RPM ，电机有6 个极对。这将给我们

（5）（10,000 RPM）/（60秒）= 166.67每秒转数，
（6） 166.67*(6极对数）= 每秒 1000 电转，因此
（7） 1000 *（6 次换向）= 每秒 6000 次换向/零交叉。
（8）这样一来，每次换向所需的时间为 1/6000 = 166.67us。
（9）最大速度下每个周期的刻度 = 166.67 us / 1.28us = 130.28

使用我们的1.28us计时器，我们可以以最大速度捕捉最多130 个周期。

对于电机的最大转速10,000 RPM ，我们可以简单地将 (4) 中所示的“实际速度”计算重新排列到 (13) 和 (14) 中，假设：

(10) actualSpeed = FRAC32(1.0) = 2,147,483,648
（11）周期6ZC = 6 个周期 * 130 = 780（向下舍入，因为该值仍然是整数）

对于S12ZVM设备，使用16位（tFrac16）计算比32位更方便。因此，我们可以利用缩放来达到

使用 32 位实际速度来防止溢出
只需正确缩放即可使用与 16 位数字相同的 32 位数字
得益于 16 位计算，它足够好，同时又足够快

诀窍就隐藏在演员阵容中 实际速度 从 Frac32 到 Frac16：

（12）速度误差 = 所需速度 - （tFrac16）实际速度；

这意味着，只有较低的 15 位被视为速度（假设实际速度永远不会超过 32767，因此第 16 个“符号”位将始终为零）。对于最大速度和SPEED_CALC_NUMERATOR确定，“ actualSpeed ”应该是 32767（这是有符号 tFrac16 的范围）。公式（4）可用于计算SPEED_CALC_NUMERATOR ，如下所示：

（13） 32767 = 速度计算计算器 / 780
（14）速度计算计算器 = 780 * 32,767 = 25,558,260

因此

#定义速度计算数值 25558260

使用公式 (4)，最小周期 6ZC的速度为：

（15）实际速度 = 速度计算分子 / 周期6ZC = 25,558,260 / 780 = 32,767；

用低 15 位屏蔽该值并将其转换为 tFrac16 将得到 1.0。由于速度刻度已经由电机的最大转速10,000 RPM决定，因此我们可以通过以下方式简单计算出实际速度：

(16) RealScaleSpeedRPM = (tFrac16)actualSpeed / 32,767 * MAX_SPEED = (tFrac16)actualSpeed / 32,767 * 10,000.

应用说明链接

在应用说明 AN4704 中，有几个用于控制应用程序的宏常量。这些常数应该使用以下定义来计算，并借助SPEED_SCALE （速度真实尺度的浮点表示）。

#定义速度尺度 10000.0// 用于正确计算以下内容：
 #定义REQUIRED_RUN_SPEED FRAC16（2000.0/SPEED_SCALE）// 2000 转/分
#define MIN_SPEED FRAC16(500.0/SPEED_SCALE) // 向下按钮控制的最小速度为 500 rpm（应至少为电机额定速度的 10%）
 #定义 MAX_SPEED FRAC16(5000.0/SPEED_SCALE)// 向上按钮控制的最大速度为 5 krpm
 #define SPEED_STEP FRAC16(100.0/SPEED_SCALE) // 100 rpm，按钮控制的上/下步进

如果应用程序使用 FreeMASTER 进行显示或控制，则也应在 FreeMASTER 项目中更新比例。AN4704 的新 FM 尺度为：

变量名称

可变的监视设置

所需速度

实数类型变换：线性：a = 速度尺度 = 10,000；b = 0

actualSpeed

有符号整数，大小 = 4

显示为：真实

位字段组成：字（0xffff）

实数类型变换：线性：a = 速度尺度 / 32767.0= 0.3051851；b = 0

计算精度

现在，让我们来看看速度分辨率（或准确度）：

在全速下，如果一个周期改变 1 个刻度，那么你将得到 周期6ZC 最大速度从 780 增加到 781，差异为 12.8041 RPM。越高 速度尺度 越大，误差越大。如果假设是所有 6 个时期都发生变化（因此 周期6ZC 将从 780 变为 786），最终的速度变化将是 76.336 RPM。这使得速度误差为 10,000 RPM +- 76，即 0.76%。

就准确性而言，将最大速度（或 SPEED_SCALE）设置为应用程序的最大速度是有意义的，而不是从电机数据表中复制一些较高的数字。嗯，应用程序的最大速度不应该超过电机的最大速度，但如果速度等级不必要地高，那就没有帮助了。

实际应用

在实际应用中，计算出的速度（ actualSpeed ）反映了周期6ZC的所有偏差和变化。因此，对period6ZC进行某种过滤是一种很好的做法，可以通过平均或使用低通滤波器来实现。如果丢失一个或多个零交叉，则应该有一种机制来处理和检测电机是否停转（机械速度与换向失去锁定）或者是否仅仅是对信号的干扰。失速检测或霍尔信号故障/损坏检测是高质量应用面临的挑战之一。

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BLDC六步控制

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时序

换乘期

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计算精度

实际应用

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