【導(dǎo)讀】各參賽同學(xué)好，關(guān)注了逐飛科技微信公眾號(hào)的同學(xué)應(yīng)該還記得，受英飛凌委托，逐飛科技在2021年12月9日發(fā)布了針對(duì)第十七屆無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開(kāi)源項(xiàng)目，供大家參考，相信已經(jīng)有部分同學(xué)根據(jù)之前的開(kāi)源方案玩起來(lái)了，還沒(méi)注意到原開(kāi)源項(xiàng)目的可以通過(guò)此篇推文進(jìn)行了解，“英飛凌BLDC驅(qū)動(dòng)方案開(kāi)源啦--逐飛科技”可以和今天的方案進(jìn)行對(duì)比穿插學(xué)習(xí)，以便達(dá)到更好的理解效果。
01 前??言
各參賽同學(xué)好，關(guān)注了逐飛科技微信公眾號(hào)的同學(xué)應(yīng)該還記得，受英飛凌委托，逐飛科技在2021年12月9日發(fā)布了針對(duì)第十七屆無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開(kāi)源項(xiàng)目，供大家參考，相信已經(jīng)有部分同學(xué)根據(jù)之前的開(kāi)源方案玩起來(lái)了，還沒(méi)注意到原開(kāi)源項(xiàng)目的可以通過(guò)此篇推文進(jìn)行了解，“英飛凌BLDC驅(qū)動(dòng)方案開(kāi)源啦--逐飛科技”可以和今天的方案進(jìn)行對(duì)比穿插學(xué)習(xí)，以便達(dá)到更好的理解效果。
在上一個(gè)項(xiàng)目開(kāi)源后，我們又了解到不少同學(xué)都想把無(wú)刷驅(qū)動(dòng)和主板合二為一，使用一顆TC264芯片來(lái)控制所有的外設(shè)，但是前段時(shí)間開(kāi)源的無(wú)刷驅(qū)動(dòng)項(xiàng)目使用的是CCU6模塊，需要CPU頻繁的處理無(wú)刷驅(qū)動(dòng)的換相控制，所以不少同學(xué)就擔(dān)心后期CPU可能會(huì)處理不過(guò)來(lái)，同時(shí)英飛凌也希望我們?cè)僦谱饕粋€(gè)基于AURIX系列MCU GTM模塊的無(wú)刷驅(qū)動(dòng)方案供同學(xué)們參考，于是一拍即合，今天給同學(xué)們帶來(lái)了一個(gè)新的無(wú)刷驅(qū)動(dòng)開(kāi)源方案——基于Infineon MCU GTM的模塊無(wú)刷驅(qū)動(dòng)開(kāi)源方案。
圖1 Infineon 上海總部
02 無(wú)刷電機(jī)
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自第十七屆智能汽車(chē)競(jìng)賽規(guī)則發(fā)布以來(lái)，這已經(jīng)是逐飛發(fā)布的第三個(gè)關(guān)于無(wú)刷驅(qū)動(dòng)的開(kāi)源項(xiàng)目了，相信參加允許使用無(wú)刷電機(jī)組別的大部分同學(xué)都已經(jīng)對(duì)無(wú)刷電機(jī)的旋轉(zhuǎn)原理比較熟悉啦，不過(guò)為了方便閱讀，請(qǐng)大家允許我們?cè)谶@里再簡(jiǎn)要的講解一下無(wú)刷電機(jī)的原理部分。
2.1 無(wú)刷電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)
圖2.1 永磁無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）內(nèi)部結(jié)構(gòu)
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上圖為無(wú)刷電機(jī)內(nèi)部導(dǎo)線連接情況的簡(jiǎn)筆畫(huà)，可以看到有三對(duì)線圈，分別成為A,B,C線圈。每對(duì)線圈的一端都連接起來(lái)，作為中點(diǎn)，上圖中電機(jī)定子外邊黑線表示三個(gè)線圈中點(diǎn)。三個(gè)線圈另外一端引出到外部，鏈接驅(qū)動(dòng)三相橋電路。
圖2.2 BLDC 電機(jī)連接驅(qū)動(dòng)三相橋電路
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在無(wú)刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)中我們一般稱(chēng)線圈的部分為定子。而中間部分則有一個(gè)具有N/S兩極的永磁鐵，我們一般稱(chēng)它為轉(zhuǎn)子。大家有沒(méi)有發(fā)現(xiàn)無(wú)刷電機(jī)中的定子和轉(zhuǎn)子跟有刷電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子的定義是不是恰恰相反呢？
2.2 無(wú)刷電機(jī)旋轉(zhuǎn)原理
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為了驅(qū)動(dòng)無(wú)刷電機(jī)旋轉(zhuǎn)，需要在轉(zhuǎn)子適當(dāng)角度時(shí)，給電機(jī)三相引線中兩相施加恰當(dāng)電流，使得定子產(chǎn)生磁性作用在轉(zhuǎn)子上形成定向轉(zhuǎn)矩。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過(guò)一定角度，將通電線圈進(jìn)行切換，使得定子磁極作用在轉(zhuǎn)子上永遠(yuǎn)形成一個(gè)方向上的轉(zhuǎn)矩。
圖2.3 同時(shí)給A,B兩相通電之后定子磁極與轉(zhuǎn)子形成轉(zhuǎn)矩
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下圖給出了三相電施加電壓極性組合以及變化是順序，按照這個(gè)順序，定子就會(huì)在內(nèi)部形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
圖2.4 無(wú)刷電機(jī)三相通電順序和組合
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為了獲得最大輸出轉(zhuǎn)矩，需要定子產(chǎn)生磁場(chǎng)在旋轉(zhuǎn)方向上領(lǐng)先轉(zhuǎn)子90°。通常使用霍爾傳感器來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)子磁極角度，下圖現(xiàn)實(shí)了電機(jī)內(nèi)部三個(gè)霍爾傳感器在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，輸出的電壓波形。
圖2.5 鑲嵌在定子上的HALL角度傳感器以及輸出信號(hào)
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三個(gè)霍爾傳感器總共有八種狀態(tài)組合，其中全0，全1是無(wú)效狀態(tài)。剩下六個(gè)狀態(tài)組合代表了轉(zhuǎn)子處在360°六個(gè)區(qū)間。在不同區(qū)間，給電機(jī)A,B,C三相施加不同驅(qū)動(dòng)電壓，便可以產(chǎn)生領(lǐng)先轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)90°的定子磁場(chǎng)，進(jìn)而可以產(chǎn)生最大旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。
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所以這個(gè)時(shí)候就可以梳理出大致的無(wú)刷電機(jī)控制原理了：
??1. 通過(guò)霍爾傳感器檢測(cè)當(dāng)前轉(zhuǎn)子所在的角度區(qū)間
??2. 通過(guò)判斷當(dāng)前轉(zhuǎn)子角度區(qū)間來(lái)讓單片機(jī)輸出下一個(gè)區(qū)間的控制信號(hào)
??3. 控制信號(hào)通過(guò)預(yù)驅(qū)和MOS開(kāi)關(guān)輸出到電機(jī)
??4. 當(dāng)轉(zhuǎn)子到達(dá)下一個(gè)角度區(qū)間時(shí)，重復(fù)第一步
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同樣，如果對(duì)這部分也比較生疏的還是推薦去年12月9號(hào)發(fā)布的推文，里面有詳細(xì)講解。
03 GTM模塊
3.1 GTM模塊簡(jiǎn)介
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GTM(Generic Timer Module)，直譯出來(lái)就是通用定時(shí)器模塊的意思，但是它又與我們平時(shí)理解的通用定時(shí)器有點(diǎn)不同，我們平時(shí)用定時(shí)器無(wú)非就是用來(lái)輸出PWM信號(hào)或者用于周期中斷等等，這些功能GTM模塊都支持，而且還有一些我們沒(méi)了解過(guò)的功能，大家看下圖：
圖3.1 GTM模塊內(nèi)部功能圖
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這個(gè)就是GTM模塊的總體框圖啦，我們第一眼肯定看到的就是里面最大的模塊-ARU模塊，它是用來(lái)處理數(shù)據(jù)流的，并且可以控制整個(gè)GTM模塊的輸出，但是它不是我們今天的主角，我們的主角在ARU模塊的左側(cè)和左下部分，分別是TIM模塊、SPE模塊、TOM模塊，這幾個(gè)模塊的組合實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)硬件檢測(cè)霍爾并且換相輸出的操作，我們的CPU就不用再反復(fù)執(zhí)行無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分的代碼了。
3.2 驅(qū)動(dòng)邏輯分析
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在單獨(dú)介紹我們要用到的這幾個(gè)模塊之前，我們先簡(jiǎn)單描述一下它們的工作流程。
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TIM模塊負(fù)責(zé)采集霍爾信號(hào)并且對(duì)其進(jìn)行濾波，然后將霍爾信號(hào)送到SPE模塊，SPE模塊通過(guò)判斷當(dāng)前的霍爾值來(lái)控制TOM模塊輸出固定相位的PWM信號(hào)，而這個(gè)固定的相位就是我們初始化時(shí)預(yù)先在SPE模塊中寫(xiě)好的一個(gè)換相表。具體的工作流程大家可以看看下圖：
圖3.2 TIM模塊
（1）TIM模塊
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TIM（Timer Input Module）模塊，定時(shí)器輸入模塊。
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在我們的實(shí)際應(yīng)用中，該模塊主要負(fù)責(zé)采集霍爾信號(hào)和剎車(chē)信號(hào)，同時(shí)模塊自帶濾波功能，保證捕獲到的是準(zhǔn)確的值。TIM模塊會(huì)將捕獲到的霍爾值直接送到SPE模塊進(jìn)行后續(xù)處理。
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從上面總的工作流程圖可以看出來(lái)TIM0模塊的輸入有8個(gè)通道，而我們只用了三個(gè)用于捕獲霍爾信號(hào)，然后將處理好的三路霍爾信號(hào)送到了SPE0模塊。
（2）SPE模塊
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SPE (Sensor Pattern Evaluation) 模塊，傳感器評(píng)估模塊。
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SPE模塊專(zhuān)用于評(píng)估當(dāng)前霍爾信號(hào)的值，并且根據(jù)當(dāng)前的霍爾值去查表通過(guò)寄存器控制TOM模塊的輸出，具體控制邏輯看下圖：
圖3.3 SPE模塊
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左上角的三路信號(hào)就是由TIM模塊濾波之后送過(guò)來(lái)的信號(hào)，然后通過(guò)NIP寄存器進(jìn)行保存（我們通過(guò)讀取NIP寄存器就可以知道當(dāng)前的霍爾值），之后三路信號(hào)分別送到了Pattern進(jìn)行查表，這里的查表是查的霍爾與輸出的對(duì)應(yīng)關(guān)系，比如霍爾實(shí)際值是1，然后查表輸出值是3，那么后面就會(huì)根據(jù)查表輸出的霍爾值來(lái)再次查表輸出實(shí)際PWM的控制值。上圖中，SPE_PAT_PTR就是根據(jù)實(shí)際霍爾值查表輸出的矯正值，而SPE_OUT_PATx是控制PWM輸出的寄存器值，將SPE_OUT_PATx的值根據(jù)SPE_PAT_PTR送到SPE_OUT_CTRL寄存器，后續(xù)的輸出就是判斷SPE_OUT_CTRL寄存器的內(nèi)容來(lái)控制不同端口的輸出情況。
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值得注意的是，右上角的剎車(chē)信號(hào)是通過(guò)FSOI進(jìn)行控制，當(dāng)FSOI為有效時(shí)，最終的輸出將被修改為FSOM寄存器的輸出值，而FSOM寄存器的是我們?cè)诔跏蓟瘯r(shí)就給了的，我們只要設(shè)置FSOM寄存器是控制所有上橋關(guān)閉、所有下橋開(kāi)啟，那么就是正常的剎車(chē)效果。
（3）TOM模塊
TOM（Timer Output Module）模塊，定時(shí)器輸出模塊。
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該模塊將根據(jù)設(shè)置的參數(shù)生成PWM信號(hào)，以及根據(jù)SPE模塊選擇的輸出通道輸出PWM信號(hào)或者是高低電平，從而驅(qū)動(dòng)無(wú)刷電機(jī)旋轉(zhuǎn)。
04 開(kāi)源下載
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基于Infineon單片機(jī)設(shè)計(jì)的無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)開(kāi)源硬件、軟件下載鏈接為：
https://gitee.com/seekfree/TC264_GTM_BLDC_Project
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打包下載開(kāi)源庫(kù)壓縮包，就可以愉快的開(kāi)始玩無(wú)刷啦，各位下載之前別忘了幫我們點(diǎn)一點(diǎn)小星星哦，感謝各位的支持。
05 總 結(jié)
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為了測(cè)試方便，本開(kāi)源項(xiàng)目的硬件依然是將TC264和驅(qū)動(dòng)電路做在一個(gè)板子上的，同學(xué)們自己在做板子時(shí)可以考慮直接使用主控TC264來(lái)控制驅(qū)動(dòng)輸出，我們?cè)谝_分配的時(shí)候也已經(jīng)避開(kāi)了常用的資源，也就是一顆TC264就既是小車(chē)的主控，也是無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制器，并且文章開(kāi)頭也說(shuō)過(guò)，使用GTM模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)刷驅(qū)動(dòng)的方案也降低了CPU消耗，同時(shí)我們測(cè)試的板子是為了兼容更大的電流采用了MOS管并聯(lián)，所以大家也可以根據(jù)實(shí)際需要來(lái)進(jìn)行減半的設(shè)計(jì)，這樣差不多就可以做到將驅(qū)動(dòng)板縮小一半，并且也推薦大家用一顆TC264實(shí)現(xiàn)無(wú)刷驅(qū)動(dòng)和主控兩個(gè)需求，以適應(yīng)平衡單車(chē)組的輕量化整體設(shè)計(jì)。
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所以本開(kāi)源項(xiàng)目所對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)板實(shí)物并未生產(chǎn)學(xué)習(xí)板來(lái)進(jìn)行銷(xiāo)售，目前逐飛在售的無(wú)刷驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)板只有CCU6的那種方案，所以同學(xué)們直接根據(jù)開(kāi)源項(xiàng)目的原理圖自行設(shè)計(jì)就行了。
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無(wú)刷電機(jī)可以采用逐飛演示車(chē)模中推薦的型號(hào)，在越野組的開(kāi)源方案中我們講到過(guò)，我們對(duì)很多款電機(jī)進(jìn)行了測(cè)試，單車(chē)平衡組最終采用的是和極速越野組的同一款電機(jī)，開(kāi)源項(xiàng)目代碼和硬件也是以這款電機(jī)為樣品來(lái)進(jìn)行測(cè)試的。
電機(jī)的參數(shù)如下：有感、三槽兩極、2860Kv（Kv表示每增加一伏電壓電機(jī)增加的轉(zhuǎn)速，最高12V）、尺寸36(mm)*50(mm)、額定功率190W、支持1-3S鋰電池供電。
圖5.1 無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的平衡單車(chē)
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溫馨提示：此款電機(jī)僅為逐飛推薦款，同學(xué)們也可以選擇自己認(rèn)為合適的無(wú)刷電機(jī)，這一點(diǎn)上規(guī)則是沒(méi)有限制的，但建議大家選擇有感無(wú)刷。
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以上開(kāi)源項(xiàng)目經(jīng)過(guò)逐飛的精心設(shè)計(jì)和代碼編寫(xiě)，真實(shí)可靠，在昨天的直播中也進(jìn)行了講解，可以通過(guò)逐飛B站回看視頻，平衡單車(chē)組的逐飛演示車(chē)模也是用的這套開(kāi)源方案制作的，證明了此開(kāi)源方案的可行性，剩下的就是大家盡情發(fā)揮自己算法的時(shí)候了。學(xué)習(xí)過(guò)程中可以結(jié)合直播視頻回放和往期相關(guān)推文來(lái)加深理解，鏈接及直播回放鏈接見(jiàn)下方：
第十七屆智能車(chē)競(jìng)賽英飛凌|逐飛聯(lián)合專(zhuān)題培訓(xùn)之無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)：https://www.bilibili.com/video/BV1JY411p7bH?spm_id_from=333.999.0.0
第十七屆智能車(chē)競(jìng)賽英飛凌|逐飛聯(lián)合專(zhuān)題培訓(xùn)之平衡單車(chē)入門(mén)講解：https://www.bilibili.com/video/BV1er4y1H7Wt?spm_id_from=333.999.0.0
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