电机控制软硬件设计同时开工

主要工作安排如下：

一、第一版5kw控制器调试报告

1.1 控制板

（1）测试内容：电源模块：VIN转12v；12v转5v；5v转3.3v。

        测试方法：测量各输出点电平，验证系统的供电稳定性。

        测试结果：12v万用表测量结果11.97v；5v万用表测量结果5.01v；3.3v测试结果3.29v；

                       各电压LED显示正常。

（2）测试内容：无源晶振

        测试方法：给单片机供电，示波器测量竞争输出点波形。

        测试结果：起振波形为8MHz正弦波，正常。

图1.1 无源晶振起振波形

       不足之处及解决方案：在焊接无源晶振时，晶振外地为金属导体，易短接，焊接时注意使用热风枪，且不可让锡超过晶振背面；晶振模块电路属于高频信号，设计PCB时特别主要注意抗干扰及时钟走线，在第二版中，加粗始终走线，且对晶振进行包地处理，并对其下面进行挖铜。

                       

 

图1.2  晶振模块PCB设计改进

（3）测试内容：SWD仿真烧写电路

        测试方法：将手中Jlink仿真器根据接口定义，将JTAG模式改为SWD模式，并通过USB连接PC给控制板供电进行烧写程序。

        测试结果：Jlink与单片机连接通信正常，可进行正常程序下载。

（4）测试内容：stm32单片机定时器、DAC、GPIO等外设进行验证

        测试方法：对MCU进行底层配置，生成测试各相应外设程序

       测试结果：定时器时钟频率正常、DAC输出正常，GPIO可点亮LED灯。

第一版控制板现存问题：

1.  CAN芯片引脚与所画SMD封装不一致，已进行更改；

2. 刚开始使用单片机时，测量VCC（3.3v）与GND之间存在低阻抗（约未1Ω阻值），进行通电后，现象消失，可能原因：PCB进行4层板布局布线时，中线层布了太多信号线，并切割了中间层平面，在第二版中，对金手指接口进行调整，方便布线，使信号线基本走在TOP和BOTTOM层。

图1.3 PCB整体优化

 

3. 有关各种GND处理

第一版数字地层未和电源地进行连接，导致后续走了飞线；第二版通过单点接地方式将两地连接；

第一版模拟地层并未与数字地层进行严格区分，第二版将电流采样、温度采样等模拟模块的地直接连到单片机模拟地引脚，然后通过0R电阻连到GND层，同样模拟模块的的供电直接连到单片机模拟电源引脚，然后通过0R电阻连到VCC层。

4.其它优化

USB串口：在第二版中，对串口USB模块走线进行优化（GND和Vbus）进行加粗，在USB布线过程中把握差分线路最短、紧耦合、等长、阻抗一致且注意好USB电源线的载流能力，后续通过USB隔离使用串口类上位机进行调试电机控制。

双电机控制：相比第一版，将stm32另一个高级定时器8进行走线引出，使控制板可以同时控制两个电机，并将相应的霍尔接口引出（后续可作为霍尔拟合转子位置的比较，一个霍尔接口接霍尔传感器，另一个接编码器进行对比实验）

将SPI接口引出，后续需学习CAN通讯，串口通讯、SPI通讯，更好的掌握各调试工具。

1.2 驱动板

（1）驱动芯片及外围电路验证

测试方法：配置高级定时器，输出互补对称的方波，加入死区，改变占空比，示波器查看输出是否合理。测量H桥驱动芯片的输出级是否能快速响应输入级的变化，且波形是否符合预期；配合H桥驱动，给定几个固定占空比，比如25%、50%、75%等，万用表测量H桥输出是否是电源电压的1/4、1/2、3/4；

测试结果：

图1.4 MOS管GS和DS初始波形

原因可能： 背面Direct MOSFET 手工焊存在虚焊现象，特别是栅极接触点，后续需使用机器进行贴片以保证走功率的MOS管焊接良好。

 

图1.5 DS波形与驱动芯片供电波形

分析：驱动芯片Vcc与GND在保持原有电容0.1uf（去耦），额外增加一个10uf供电；驱动电阻由1.6欧并二极管改为两两1.6欧并联，最终改为10R+二极管。

 

图1.6 调整硬件参数后，MOS管GS和DS驱动波形

       进行调整后，进行不同工况下测试，驱动波形已满足正常电机控制使用。

       对于低占空比时波形存在问题，原因可能为自举电路本身存在最小占空比问题，后续对第二版测试时需要再次测试此工况。

 

图1.7 小占空比5%，驱动波形问题

（2）电流采样模块

测试方法：开环svpwm转动电机，使用ADC对三相电流进行采样，通过DAC将采样结果输出到示波器上。

       测试结果：

图1.8 电流采样初始结果

 

发现噪声很大，同时查看原理图，发现硬件低通滤波截止频率过高，需要调低

将硬件滤波参数调整，1nf改为100nf，采样结果如下：

图1.10 电流采样调整后波形

 

调整后，电流采样基本可作为foc闭环使用。（PS：测试过程中，发现ina240a1芯片特别受焊接影响，也特别易出问题）

ADC采样噪声大其他原因：PCB布局。采样电阻尽量差分走线，走线尽量短，可在一定程度上提高抗干扰能力。采样电阻尽量靠近运算放大器，减少误差和干扰。运放的地与单片机的地单独拉出来接到电源的地。

       第二版整体PCB优化后结果：

图1.11 第二版驱动板PCB图

 

将电流采样模块放在采样电阻旁，避免大功率干扰，同时开通C相采样结果做为备用；驱动模块注意驱动信号回流；在MOS管GS两端增加稳压管；板子供电及三相输出接口采用走功率的接插件。

1.3 转接板

根据控制板与驱动板金手指接口做相应更改，并增添一个金手指插件作为电机2的驱动备用。同时吸取第一版转接板电容摆放位置及稳固性的教训作出优化

二、霍尔Foc在stm32中的实现

2.1  在学习板和自己设计控制器上各实现foc

首先完成开环环svpwm转动电机，主要步骤如下：

①验证三相逆变模块的正确输出。不接电机，使用高级定时器输出6路互补PWM，改变占空比，测量三相逆变模块的U、V、W对地波形的占空比是否正常。

②测试相电流采样电路的功能。1、不接电机，连续采样相电流，此时采样值为相电流为0时的值，此时值应该比较稳定，变化不大，如果变化比较大，说明有问题。2、接上电机，给U相设置占空比为5%，V、W占空比为0，此时可以用万用表测量取样电阻上的电压值，应该已经有值。再用ADC采样相电流，计算相电流采样极性和大小是否正常。根据正电压产生正电流的电动机原则，U相电流应该是正的，V、W两相电流应该是负的，且V、W两相电流应基本相同。

接着去实现foc闭环控制。实现电流环需要做这么几件事情：①电机三相电流采集②克拉克变换③帕克变换④电流环PID运算。

自己板子上电流采样方案为电流传感器直接采集绕组相电流，该方案精度高，可在PWM周期内任意点采样，缺点为信号上有较大的共模电压。AD采样的时间选择：以PWM中心对齐的控制方式为例，其电机相电流在微观上存在一个2倍频于PWM频率的纹波信号，由于PWM开关的频率很快，这个电流的纹波一般都比较小，为得到在一个PWM周期内的电流平均值，可以用T/2时刻的采样值作为这个平均电流的近似。在软件中，在PWM周期的中心点（每次PWM一进中断就读取ADC值或CCR4触发）触发一个中断去启动相电流的采样。电流计算公式为：电流=（ADC原始值-2048）/4096∗3.3/采样电阻阻值/运放放大倍数。

学习板上电流采样方案为下桥臂三电阻采样，针对不同扇区读取不同相电流，并需要对采样时间点做分类讨论。必须读取两相的定子电流:由SVPWM的当前扇区决定该读哪两相电流;只有在下桥臂打开时，才能读到该相电流;每次桥臂开关状态有变化时，会在采样电阻上的电压产生一个电子干扰，当下桥臂打开后，需要等待一段时间来使采样电阻上的电压达到稳定值后才可进行采样。故最终我采取高级定时器1的CCR4触发ADC注入通道，根据当前扇区，选择注入哪两相通道，并进行读取，利用基尔霍夫电流定律求出第三相电流，当ADC注入完成后进入中断执行foc程序。

电流环PI采用增量式PI控制，限幅为Udc/1.732

图2.1 电流闭环仿真模型

 

图2.2 仿真结果  Id  Iq波形

 

       接着，分别在自己板子和学习板上进行实验验证，通过J-Scope输出Id、Iq波形。（J-Scope是SEGGER公司推出的，可以在目标MCU运行时，实时分析数据并图形化显示的软件。它不需要SWO或目标上的任何额外引脚等功能，但使用可用的标准调试端口。J-Scope可以以类似示波器的方式显示多个变量的值。它读取elf或axf文件并允许选择多个变量进行可视化。只需将目标微控制器连接到J-Link并启动J-Scope），目前手中仿真器硬件版本为v8，采样最高只能达到50Hz，后续考虑v9或v11方便调试。下面是电流闭环实验结果：

 

图2.3 J-scope输出Id、Iq波形

       下一步进行霍尔位置估计

第一步检查霍尔信号与实际转子位置对应关系，方法如下：控制器的霍尔传感器模块上电后，手动正向旋转电动机，同时用示波器记录下电动机3根相线的反电动势波形与霍尔信号。

图2.4  A相霍尔信号与A相反电势关系

 

因手中电机难以转出良好反电势波形，比较难观察出准备霍尔信号与转子位置关系，因此又通过给电机A相通正电，BC通负电，将转子拉至0°位置，读取此时霍尔信号；同样B相通正电，AC通负电或A相通正电，B相通负电，C相不同点，通过各种转子位置信号下霍尔状态，从而确定如下程序：

 

图2.5  霍尔信号与角度关系

通过霍尔估计转子位置，进行速度闭环。发现速度在设定速度在1000r/min转以下，电机不能稳定转动，然后继续进行霍尔转子位置拟合算法运算。

在进行霍尔估算时，发现若将每次霍尔中断时捕获值进行估计，电机转动不稳定时，转子位置波形存在严重波动。

图2.6 霍尔运算时，只用一次捕获值，转子估计波形

 

然后学习st电机工作台，通过实验测评出，在同样硬件条件下，st电机库foc的控制效果。

 

图2.7  st电机控制工作台及其拟合转子波形

 

       通过对比实验，发现st电机库可以使电机在300r/min时转动（速度波动较大），后续我需要通过进一步学习stm32霍尔定时器接口配置，先达到此控制效果，接着再对霍尔拟合算法进行优化，程序代码学习，达到更低速度下运行。