【導讀】各參賽同學(xué)好，關(guān)注了逐飛科技微信公眾號的同學(xué)應該還記得，受英飛凌委托，逐飛科技在2021年12月9日發(fā)布了針對第十七屆無(wú)刷電機驅動(dòng)的開(kāi)源項目，供大家參考，相信已經(jīng)有部分同學(xué)根據之前的開(kāi)源方案玩起來(lái)了，還沒(méi)注意到原開(kāi)源項目的可以通過(guò)此篇推文進(jìn)行了解，“英飛凌BLDC驅動(dòng)方案開(kāi)源啦--逐飛科技”可以和今天的方案進(jìn)行對比穿插學(xué)習，以便達到更好的理解效果。
01 前??言
各參賽同學(xué)好，關(guān)注了逐飛科技微信公眾號的同學(xué)應該還記得，受英飛凌委托，逐飛科技在2021年12月9日發(fā)布了針對第十七屆無(wú)刷電機驅動(dòng)的開(kāi)源項目，供大家參考，相信已經(jīng)有部分同學(xué)根據之前的開(kāi)源方案玩起來(lái)了，還沒(méi)注意到原開(kāi)源項目的可以通過(guò)此篇推文進(jìn)行了解，“英飛凌BLDC驅動(dòng)方案開(kāi)源啦--逐飛科技”可以和今天的方案進(jìn)行對比穿插學(xué)習，以便達到更好的理解效果。
在上一個(gè)項目開(kāi)源后，我們又了解到不少同學(xué)都想把無(wú)刷驅動(dòng)和主板合二為一，使用一顆TC264芯片來(lái)控制所有的外設，但是前段時(shí)間開(kāi)源的無(wú)刷驅動(dòng)項目使用的是CCU6模塊，需要CPU頻繁的處理無(wú)刷驅動(dòng)的換相控制，所以不少同學(xué)就擔心后期CPU可能會(huì )處理不過(guò)來(lái)，同時(shí)英飛凌也希望我們再制作一個(gè)基于A(yíng)URIX系列MCU GTM模塊的無(wú)刷驅動(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)刷驅動(dòng)開(kāi)源方案——基于Infineon MCU GTM的模塊無(wú)刷驅動(dòng)開(kāi)源方案。
圖1 Infineon 上?？偛?/p>
02 無(wú)刷電機
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自第十七屆智能汽車(chē)競賽規則發(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)刷驅動(dòng)的開(kāi)源項目了，相信參加允許使用無(wú)刷電機組別的大部分同學(xué)都已經(jīng)對無(wú)刷電機的旋轉原理比較熟悉啦，不過(guò)為了方便閱讀，請大家允許我們在這里再簡(jiǎn)要的講解一下無(wú)刷電機的原理部分。
2.1 無(wú)刷電機內部結構
圖2.1 永磁無(wú)刷直流電機（BLDC）內部結構
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上圖為無(wú)刷電機內部導線(xiàn)連接情況的簡(jiǎn)筆畫(huà)，可以看到有三對線(xiàn)圈，分別成為A,B,C線(xiàn)圈。每對線(xiàn)圈的一端都連接起來(lái)，作為中點(diǎn)，上圖中電機定子外邊黑線(xiàn)表示三個(gè)線(xiàn)圈中點(diǎn)。三個(gè)線(xiàn)圈另外一端引出到外部，鏈接驅動(dòng)三相橋電路。
圖2.2 BLDC 電機連接驅動(dòng)三相橋電路
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在無(wú)刷電機的結構中我們一般稱(chēng)線(xiàn)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)它為轉子。大家有沒(méi)有發(fā)現無(wú)刷電機中的定子和轉子跟有刷電機的定子和轉子的定義是不是恰恰相反呢？
2.2 無(wú)刷電機旋轉原理
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為了驅動(dòng)無(wú)刷電機旋轉，需要在轉子適當角度時(shí)，給電機三相引線(xiàn)中兩相施加恰當電流，使得定子產(chǎn)生磁性作用在轉子上形成定向轉矩。當轉子旋轉過(guò)一定角度，將通電線(xiàn)圈進(jìn)行切換，使得定子磁極作用在轉子上永遠形成一個(gè)方向上的轉矩。
圖2.3 同時(shí)給A,B兩相通電之后定子磁極與轉子形成轉矩
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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 )在內部形成旋轉磁場(chǎng)，帶動(dòng)轉子旋轉。
圖2.4 無(wú)刷電機三相通電順序和組合
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為了獲得最大輸出轉矩，需要定子產(chǎn)生磁場(chǎng)在旋轉方向上領(lǐng)先轉子90°。通常使用霍爾傳感器來(lái)測量轉子磁極角度，下圖現實(shí)了電機內部三個(gè)霍爾傳感器在轉子旋轉時(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
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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)組合代表了轉子處在360°六個(gè)區間。在不同區間，給電機A,B,C三相施加不同驅動(dòng)電壓，便可以產(chǎn)生領(lǐng)先轉子磁場(chǎng)90°的定子磁場(chǎng)，進(jìn)而可以產(chǎn)生最大旋轉轉矩。
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所以這個(gè)時(shí)候就可以梳理出大致的無(wú)刷電機控制原理了：
??1. 通過(guò)霍爾傳感器檢測當前轉子所在的角度區間
??2. 通過(guò)判斷當前轉子角度區間來(lái)讓單片機輸出下一個(gè)區間的控制信號
??3. 控制信號通過(guò)預驅和MOS開(kāi)關(guān)輸出到電機
??4. 當轉子到達下一個(gè)角度區間時(shí)，重復第一步
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同樣，如果對這部分也比較生疏的還是推薦去年12月9號發(fā)布的推文，里面有詳細講解。
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)處理數據流的，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A(yíng)RU模塊的左側和左下部分，分別是TIM模塊、SPE模塊、TOM模塊，這幾個(gè)模塊的組合實(shí)現了單片機硬件檢測霍爾并且換相輸出的操作，我們的CPU就不用再反復執行無(wú)刷電機驅動(dòng)部分的代碼了。
3.2 驅動(dòng)邏輯分析
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在單獨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模塊負責采集霍爾信號并且對其進(jìn)行濾波，然后將霍爾信號送到SPE模塊，SPE模塊通過(guò)判斷當前的霍爾值來(lái)控制TOM模塊輸出固定相位的PWM信號，而這個(gè)固定的相位就是我們初始化時(shí)預先在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)際應用中，該模塊主要負責采集霍爾信號和剎車(chē)信號，同時(shí)模塊自帶濾波功能，保證捕獲到的是準確的值。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，然后將處理好的三路霍爾信號送到了SPE0模塊。
（2）SPE模塊
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SPE (Sensor Pattern Evaluation) 模塊，傳感器評估模塊。
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SPE模塊專(zhuān)用于評估當前霍爾信號的值，并且根據當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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左上角的三路信號就是由TIM模塊濾波之后送過(guò)來(lái)的信號，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前的霍爾值），之后三路信號分別送到了Pattern進(jìn)行查表，這里的查表是查的霍爾與輸出的對應關(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SPE_PAT_PTR送到SPE_OUT_CTRL寄存器，后續的輸出就是判斷SPE_OUT_CTRL寄存器的內容來(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)信號是通過(guò)FSOI進(jìn)行控制，當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寄存器的是我們在初始化時(shí)就給了的，我們只要設置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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該模塊將根據設置的參數生成PWM信號，以及根據SPE模塊選擇的輸出通道輸出PWM信號或者是高低電平，從而驅動(dòng)無(wú)刷電機旋轉。
04 開(kāi)源下載
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基于Infineon單片機設計的無(wú)刷電機驅動(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
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為了測試方便，本開(kāi)源項目的硬件依然是將TC264和驅動(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)控制驅動(dòng)輸出，我們在引腳分配的時(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)刷電機驅動(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)現無(wú)刷驅動(dòng)的方案也降低了CPU消耗，同時(shí)我們測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實(shí)際需要來(lái)進(jìn)行減半的設計，這樣差不多就可以做到將驅動(dòng)板縮小一半，并且也推薦大家用一顆TC264實(shí)現無(wú)刷驅動(dòng)和主控兩個(gè)需求，以適應平衡單車(chē)組的輕量化整體設計。
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所以本開(kāi)源項目所對應的驅動(dòng)板實(shí)物并未生產(chǎn)學(xué)習板來(lái)進(jìn)行銷(xiāo)售，目前逐飛在售的無(wú)刷驅動(dòng)學(xué)習板只有CCU6的那種方案，所以同學(xué)們直接根據開(kāi)源項目的原理圖自行設計就行了。
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無(wú)刷電機可以采用逐飛演示車(chē)模中推薦的型號，在越野組的開(kāi)源方案中我們講到過(guò)，我們對很多款電機進(jìn)行了測試，單車(chē)平衡組最終采用的是和極速越野組的同一款電機，開(kāi)源項目代碼和硬件也是以這款電機為樣品來(lái)進(jìn)行測試的。
電機的參數如下：有感、三槽兩極、2860Kv（Kv表示每增加一伏電壓電機增加的轉速，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)刷電機驅動(dòng)的平衡單車(chē)
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溫馨提示：此款電機僅為逐飛推薦款，同學(xué)們也可以選擇自己認為合適的無(wú)刷電機，這一點(diǎn)上規則是沒(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)源項目經(jīng)過(guò)逐飛的精心設計和代碼編寫(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)習過(guò)程中可以結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)競賽英飛凌|逐飛聯(lián)合專(zhuān)題培訓之無(wú)刷電機驅動(dòng)：https://www.bilibili.com/video/BV1JY411p7bH?spm_id_from=333.999.0.0
第十七屆智能車(chē)競賽英飛凌|逐飛聯(lián)合專(zhuān)題培訓之平衡單車(chē)入門(mén)講解：https://www.bilibili.com/video/BV1er4y1H7Wt?spm_id_from=333.999.0.0
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