簡(jiǎn)介

先楫電機(jī)庫（HPM_MCLV2）是由先楫半導(dǎo)體開發(fā)的一個(gè)專門用于電機(jī)控制的軟件庫，它支持廣泛的電機(jī)控制應(yīng)用，包括基于傳感器和無傳感器的永磁同步電機(jī)（PMSM）、無刷直流電機(jī)（BLDC）以及步進(jìn)電機(jī)的控制。該庫旨在幫助工程師簡(jiǎn)化電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程，并提供高性能、高效率的電機(jī)控制解決方案。

SDK版本

• sdk v1.8

特性支持

• FOC算法支持

先楫電機(jī)庫提供了先進(jìn)的場(chǎng)定向控制（FOC, Field Oriented Control）算法，能夠優(yōu)化電機(jī)運(yùn)行性能，減少能耗，提高效率，同時(shí)確保平滑且快速的扭矩響應(yīng)。

• 六步控制支持

六步控制，也稱為梯形波控制或方波驅(qū)動(dòng)，是一種簡(jiǎn)單而有效的無刷直流電機(jī)（BLDC）控制方法。它基于電機(jī)的六個(gè)基本換向狀態(tài)，在每個(gè)狀態(tài)中，兩個(gè)繞組被激活而第三個(gè)繞組處于高阻抗?fàn)顟B(tài)。

• 多環(huán)路控制

包括電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)，支持硬件電流環(huán)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)更精確的控制。

• 無傳感器控制

采用滑模觀測(cè)器、過零檢測(cè)或高頻注入等方法進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置估算，適用于無傳感器的電機(jī)控制場(chǎng)合。

• SVPWM調(diào)制

實(shí)現(xiàn)了空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM），可以產(chǎn)生更接近理想的正弦波形輸出，提高電機(jī)效率和降低噪音。

• 死區(qū)補(bǔ)償和角度補(bǔ)償

改善了電機(jī)在低速時(shí)的表現(xiàn)，并減少了由于功率器件導(dǎo)通延遲引起的非線性影響。

• 步進(jìn)電機(jī)矢量控制

對(duì)于步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用，提供了矢量控制方案，提升了動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和定位精度，降低步進(jìn)電機(jī)噪聲。

• 電機(jī)參數(shù)辨識(shí)

先楫電機(jī)庫還提供了電機(jī)參數(shù)離線辨識(shí)功能，這是一個(gè)非常重要的特性，尤其是在實(shí)際應(yīng)用中，因?yàn)椴煌碾姍C(jī)可能有不同的電氣和機(jī)械特性。離線辨識(shí)過程通常在電機(jī)不運(yùn)行時(shí)進(jìn)行，通過施加特定的激勵(lì)信號(hào)并測(cè)量相應(yīng)的響應(yīng)，從而準(zhǔn)確地確定電機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)，如電阻、電感、磁鏈的參數(shù)。

• DQ軸解耦

先楫電機(jī)庫提供了DQ軸解耦功能，在電機(jī)控制中，特別是采用場(chǎng)定向控制（FOC, Field Oriented Control）時(shí)，DQ軸解耦是一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)點(diǎn)。其目的是將電機(jī)的磁通（d軸）和轉(zhuǎn)矩（q軸）分量分離，使得兩者可以獨(dú)立調(diào)節(jié)。

• PLL鎖相環(huán)濾波器

在電機(jī)控制應(yīng)用中，特別是涉及到無傳感器控制時(shí)，鎖相環(huán)（PLL, Phase-Locked Loop）是一個(gè)非常重要的組件。它用于同步參考信號(hào)與反饋信號(hào)之間的相位差，并且在某些情況下還用于估算轉(zhuǎn)子位置或速度。先楫電機(jī)庫（HPM_MCL）不僅支持傳統(tǒng)的FOC、六步控制等特性，還集成了對(duì)PLL鎖相環(huán)濾波器的支持，具體包括I型和II型PLL。

IIR濾波器

在電機(jī)控制中，IIR濾波器主要用于以下幾個(gè)方面：

• 位置估算：對(duì)于無傳感器控制，IIR濾波器可以幫助平滑位置估算結(jié)果，減少因傳感器噪聲或機(jī)械振動(dòng)引起的波動(dòng)。
• 速度估計(jì)：通過對(duì)編碼器反饋的速度信號(hào)進(jìn)行濾波，可以減少測(cè)量誤差，提高速度控制精度。
• 電流信號(hào)濾波：消除電流采樣過程中引入的高頻噪聲，確保電流環(huán)路控制更加穩(wěn)定和平滑。

PID控制器轉(zhuǎn)換為3p-3z控制器

將PID控制器轉(zhuǎn)換為具有三個(gè)極點(diǎn)和三個(gè)零點(diǎn)（3P-3Z）的控制器可以提供更多的靈活性和更好的性能。先楫電機(jī)庫（HPM_MCLV2）不僅支持標(biāo)準(zhǔn)的PID控制，還提供了將PID控制器轉(zhuǎn)換為3P-3Z控制器的功能。同時(shí)3p-3z控制器是先楫硬件電流環(huán)支持的控制器。

• 硬件電流環(huán)

先楫電機(jī)庫（HPM_MCL）不僅支持傳統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)的電流環(huán)，還特別提供了對(duì)硬件電流環(huán)的支持。

• 1us軟件環(huán)路

先楫電機(jī)庫（HPM_MCL）特別支持了1μs軟件環(huán)路，并可以通過先楫提供的例程復(fù)現(xiàn)。

硬件兼容性

先楫電機(jī)庫兼容多種先楫開發(fā)板型號(hào)，如HPM6750evk、HPM6300evk、HPM6200evk、 HPM6E00evk等支持電機(jī)接口的開發(fā)板，同時(shí)需要特定的電機(jī)驅(qū)動(dòng)板（如DRV-LV50A_MP1907）。為了確保最佳性能，建議使用官方推薦的設(shè)備配置，但用戶也可以根據(jù)自己的需求設(shè)計(jì)定制化的電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，只需遵循相應(yīng)的引腳定義。

環(huán)路帶寬

結(jié)合之前提到的1μs軟件環(huán)路和高速硬件環(huán)路，高帶寬的環(huán)路設(shè)計(jì)變得更加可行：

快速響應(yīng)：

• 定義：環(huán)路帶寬是指控制系統(tǒng)能夠有效跟蹤或抑制的頻率范圍。更具體地說，它是從直流（0 Hz）到某一頻率之間的頻段，在此頻段內(nèi)，系統(tǒng)的增益下降不超過一定限度（通常為3 dB）。超過這個(gè)頻率后，系統(tǒng)的增益會(huì)迅速衰減。
• 意義：高帶寬意味著控制系統(tǒng)可以更快地響應(yīng)輸入信號(hào)的變化，并且能夠處理更高頻率的擾動(dòng)。然而，過高的帶寬可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定或?qū)ν饨缭肼暩用舾校欢^低的帶寬則可能導(dǎo)致響應(yīng)遲緩和控制精度不足。

1μs級(jí)別的環(huán)路更新速率使得控制系統(tǒng)可以在極短的時(shí)間內(nèi)完成一次完整的控制周期，這為實(shí)現(xiàn)更高的環(huán)路帶寬提供了可能。通過調(diào)節(jié)bldc_foc例程中的宏MOTOR0_CURRENT_LOOP_BANDWIDTH來改變環(huán)路帶寬。

環(huán)路速度

1.1μs軟件環(huán)路的意義

• 極高的實(shí)時(shí)性：1μs（微秒）級(jí)別的環(huán)路更新速率意味著系統(tǒng)可以在非常短的時(shí)間內(nèi)對(duì)輸入信號(hào)的變化做出反應(yīng)。
• 提高控制精度：更快的環(huán)路更新速率允許更頻繁地調(diào)整控制輸出，從而減少誤差積累，提高整體控制精度。
• 增強(qiáng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)：快速的環(huán)路能夠更好地處理快速變化的工作條件，如突變負(fù)載或高速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下的瞬態(tài)響應(yīng)。
• 適應(yīng)復(fù)雜算法：對(duì)于一些復(fù)雜的控制策略，如非線性控制、自適應(yīng)控制等，高頻次的環(huán)路更新可以確保這些算法的有效實(shí)施。

2.在先楫電機(jī)庫中的實(shí)現(xiàn)

先楫電機(jī)庫通過以下幾個(gè)方面實(shí)現(xiàn)了1μs軟件環(huán)路的支持：

• 高性能MCU平臺(tái)：基于高性能的微控制器，它們擁有足夠的處理能力和豐富的外設(shè)資源來滿足1μs環(huán)路的要求。
• 優(yōu)化的底層驅(qū)動(dòng)程序：針對(duì)各個(gè)外設(shè)編寫了高度優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)程序，減少了數(shù)據(jù)傳輸過程中的延遲。
• 精簡(jiǎn)的控制算法：對(duì)常用的控制算法進(jìn)行了優(yōu)化，確保在1μs內(nèi)能夠完成所有的計(jì)算工作。
• 合理的內(nèi)存分配：提供了專門的fast空間用來將算法放在緊耦合內(nèi)存中，提高數(shù)據(jù)讀取效率。

3.在Demo中復(fù)現(xiàn)1μs軟件環(huán)路

要在demo中成功復(fù)現(xiàn)1μs軟件環(huán)路的效果，建議按照以下步驟操作：

1. 準(zhǔn)備開發(fā)環(huán)境：

• 確保使用的是支持1μs環(huán)路的先楫MCU型號(hào)，因?yàn)椴煌琈CU的主頻不同，所以部分低主頻MCU可能無法實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的1us。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)主頻在600M以上的先楫MCU可以保證1us的軟件環(huán)路。
• 安裝最新的先楫電機(jī)庫和配套工具鏈。
  

2. 加載示例工程：

• 打開提供的官方demo工程文件bldc foc，該工程已經(jīng)預(yù)先配置好了1μs環(huán)路的相關(guān)設(shè)置
  

3. 檢查硬件連接：

• 確認(rèn)所有傳感器和電機(jī)正確連接，并且通信正常。
  

4. 調(diào)整參數(shù)：

• 并根據(jù)readme中的配置，適當(dāng)關(guān)閉一些復(fù)雜的算法，比如死區(qū)補(bǔ)償，解耦，以獲得最佳性能
  

5. 運(yùn)行測(cè)試：

• 編譯并下載工程到目標(biāo)板上。
• 使用調(diào)試工具監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，特別是關(guān)注電流環(huán)路的更新頻率是否穩(wěn)定在1μs級(jí)別。