有感FOC控制闸机电机驱动系统探析

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摘要：介绍了一种基于磁场导向控制的闸机电机驱动系统，构建了一套完整的硬件和软件系统，使用了“一控双驱”设计架构，实现了更好的同步性，也减少了空间占用；针于“控制-驱动”应用电路中的电平不兼容问题，使用了独立元件，设计了一套电平转换电平，实现了电平转换的低延迟和高效率，降低的电路设计的复杂度，减少了元器件的使用；分析了电机的运动过程，精确控制了电机磁场和方向，按照开关闸门运动曲线完成了闸机的开启和关闭；设计了硬件和软件两方面的过流、过压保护措施，实现了运动到位后的电力抱闸功能，减少了机械抱闸机构，节约了成本。实验结果表明，系统的电机转矩较平稳、噪声较小、效率更高，并且也具有更好的高速动态响应性，达到了设计效果。

关键词：磁场导向控制；闸机系统；一控两驱；电平兼容

0引言

闸机系统被广泛应用于地铁、机场、办公楼、生活社区等场所，用于收费或身份验证，尤其是近两年来，伴有新冠疫情的爆发，闸机作为安防系统中的重要设备，与人脸识别设备、测温系统、云扫码系统等结合，应用范围越来越广泛，前景也愈加广阔。但传统的有刷电机结构[2]或者“无刷电机+离合器”结构[1]都存在一定的问题：有刷电机受电刷寿命影响，寿命周期短；无刷电机+离合器结构无疑增加了使用成本和机械设计复杂程序，因此采用一套改良的电机驱动控制系统，使用无刷电机预定位自锁功能，不但可以满足闸机系统的功能要求，而且可以减少离合器机械结构，降低机械设计难度和减小设备占用空间。电机的驱动控制，是闸机系统的重要组成部分。其精确控制，不但可提高开关闸门速度，提高通行效率，还可减小噪声、运行平顺，提升使用者的舒适度。本系统的电机选用直流无刷电机，此种电机转子为磁极，定子为线圈，转动过程不损耗电刷，受到普遍使用。由于“六步换相”方法控制算法[3]比较简单，所以市面上很多驱动系统采用了“六步换相”算法，随着科技的进步和人类体验感的提升，磁场矢量算法越来越受到关注，该算法精确控制了电机磁场和方向，具有控制更精确、减少噪声等优势[4]，因此有必要开发出一套基于磁场矢量控制算法的电机驱动控制系统实现闸机电机的控制。

1闸机驱动硬件方案

闸机一般为两道闸门结构，对应两套无刷电机，通常设计中使用“一控一驱、一一对应、相互独立”设计模式，这样控制较为简单，但会增加产品成本，两道闸门的同步性也会变差。考虑到电机动作的同步性和成本优势，本文采用“一控双驱”方式实现硬件设计，即一个控制MicrocontrollerUnit（以下简称MCU）控制两个驱动单元，这样开关闸门动作都由一个MCU发出，避免了命令发出的异步性，有助于两台电机同时动作，也减少了设备空间占用，为机械设计带来方便。

1.1硬件控制方案

硬件控制核心芯片选用某公司的GD32F101RCT6芯片，该芯片采用了ARMCortex-M332位内核，最高主频可达108MHz，适用-40～85℃工业级温度范围，有通用的GPIO、USART、TIMER、I2C等接口[5]，可满足本系统的使用。控制系统主要实现上位通信模块、红外探测信号模块、消防系统的接口模块、外围声光模块和控制电机模块等功能。上位通信模块使用串口转蓝牙模块，管理员通过App软件或上位机软件，与闸机设备建立连接，对闸机系统的参数设置和读取。该芯片的FLASH具有模拟EE⁃PROM掉电保存功能，可实时保存闸机系统的参数。红外探测信号模块使用了6组红外探测模块，可兼容NPN和PNP两种信号输出，根据6组模块的逻辑组合，实现对通道中行人位置的判断。消防系统模块主要实现在消防模式下，实现开关闸机的命令。系统中含有备用的UPS电池，防止在系统断电后，通道无法打开，影响使用者的安全。外围声光模块主要实现系统的输出、显示控制，使用者可根据不同的声光状态，判断不同的情况。控制电机模块通过GPIO、串口等方式实现对电机驱动电路的控制，通过不同的IO状态，实现电机的开关闸机速度和位置控制。

1.2硬件驱动方案

硬件驱动芯片采用某公司的FU6832芯片，该芯片集成电机控制引擎（ME）和8051内核的高性能电机驱动专用芯片，电机控制引擎集成foc、MDU、LPF、PI、SVPWM/SPWM等诸多硬件模块，可硬件自动完成电机FOC/BLDC运算控制；8051内核用于参数配置和日常事务处理，双核并行工作实现各种高性能电机控制。其中8051内核大部分指令周期为1T或2T，芯片内部集成有高速运算放大器、比较器、Pre-driver、高速ADC、高速乘/除法器、CRC、SPI、I2C、UART、LIN、多种TIMER、PWM等功能，内置高压LDO，适用于BLDC/PMSM电机的方波、SVPWM/SPWM、FOC驱动控制[6]。

1.3硬件电平转换电路

由于主控MCU采用了3.3V电平电路，而驱动电路采用了5V的电平电路，双方在通讯过程中存在电平不兼容、信号无法接收、甚至损坏硬件等问题。因此，利用图1电路使用二极管、三极管设计了一套电平转换电路实现电平的兼容转换。VDD_EXT表示输入电平3.3V，TXVDD表示主控MCU芯片的通讯TTL电平发送端，RXVDD表示主控MCU芯片的通讯TTL电平的接收端；RX2、TX2表示驱动电路中芯片的TTL电平端，使用+5V电平。以MCU端发送数据到+5V端RX为例，详细说明一下电平转换过程：当TXVDD为高电平3.3V时，由于VDD_EXT与TXVDD同为高电平，此时三极管无法导通，RX2电平为上位电阻上电平，即高电平+5V；当TXVDD为低电平0V时，三极管的基极B（VDD_EXT）与发射极E间存在电压差，有电流通过，此时BE导通、CE导通，由于TXVDD为低电平0V，那么受CE导通影响，RX2电平与TXVDD电平一致，同为低电平0V。这样以来，在MCU的TXVDD侧实现了数据发送的兼容与同步。以MCU的接收端接收+5V端TX2数据为例，当TX2为高电平+5V时，RXVDD端电平为VDD_EXT，即3.3V，由于二极管单向导通缘故，3.3V电平电流无法流入+5V中，故电路无法导通，RXVDD电平仍为VDD_EXT，即+3.3V；当TX2端为低电平0V时，RXVDD端电平为VDD_EXT，此时两边电压差大于0.7V，二极管导通，即RXVDD端电压与TX2电压一致，为低电平0V。如此以来，MCU的RXVDD端也实现了电平的兼容与同步。

2闸机驱动软件方案

闸机驱动软件是系统的重要组成部分，它主要完成电机驱动算法控制、电机状态控制。

2.1电机驱动算法控制

系统采用磁场导向控制（Field-orientedControl，FOC）算法[7]。FOC算法的实质是运用坐标变换将三相静止坐标系下的电机相电流转换到相对于转子磁极轴线静止的旋转坐标系上，通过控制旋转坐标系下的矢量大小和方向达到控制电机目的[8]。由于定子上的电压量、电流量、电动势等都是交流量[9]，并都以同步转速在空间上不断旋转，控制算法难以实现控制。通过坐标变换之后，旋转同步矢量转换成静止矢量，电压量和电流量均变为直流量。再根据转矩公式，找出转矩与旋转坐标系上的被控制量之间关系，实时计算和控制转矩所需的直流给定量，从而间接控制电机达到其性能。但是实际上，由于各直流量都是虚构的，在物理上并没有实际意义，因而应用到实际系统中，还需通过逆变换变为实际的交流给定值。实现过程如下[10-13]。（1）测量电机运行时三相定子电流，可得到Ia、Ib、Ic。将三相电流通过Clark变换至两相电流Iα和Iβ，其是相互正交的时变电流信号。（2）Iα和Iβ通过Park变换得到旋转坐标系下的电流Id和Iq。在电机达到稳定状态时，Id和Iq是常量。此时所使用的转子位置为上一次迭代计算出来的角度值。（3）Id的参考值决定了电机转子磁通量，Iq的参考值决定了电机的转矩输出大小，二者各自的实际值与参考值进行比较得到的误差，作为电流环PI控制器的输入。通过PI控制计算输出得到Vd和Vq，即要施加到电机绕组上的电压矢量。（4）有传感器FOC根据Hall信号或者通过无感估算计算出转子位置和电机转速。新的转子角度可告知FOC算法下一个电压矢量在何处。计算出的电机转速将用于电机状态的切换，环路切换，堵转保护等子功能模块的数据支持。（5）利用新的电机角度，Vd和Vq经过Park逆变换到两相静止坐标系上。该计算将产生下一个正交电压值Vα和Vβ。再采用SVPWM算法判定其合成的电压矢量位于哪个扇区，计算出三相各桥臂开关管的导通时间。最后经过三相逆变器驱动模块输出电机所需的三相电压。在本系统中，电机驱动算法采用FOC控制的双PI双环控制算法，采用Id=0，Iq非零的控制策略。Iq控制电机的转矩。本软件系统根据测量到的速度信息对电机进行实时的速度闭环控制，根据采集到的速度信息与目标值作比较，作为电流内环的输入，同时将电流目标值与输入作比较，从而实现电流内环的闭环控制[14]。

2.2电机状态控制程序

在电机控制中，为了方便程序控制，在系统中使用状态机来展示系统的不同状态，同时也方便对系统状态进行切换控制。在本系统中电机的几个状态分为：初始化、顺逆风检测、启动、运行、预对齐停止、错误6个状态。初始化过程主要完成对参数的初始化，根据电机和硬件电路的参数对程序参数和芯片寄存器进行初始化。完成初始化后，自动进入顺逆风检测状态，如有错误发生，则直接进行错误模块流程。电机的顺逆风检测状态是在电机启动之前，对电机所处的状态（正向高速转动，正向低速转动，静止状态，反向低速转动，反向高速转动）进行检测。电机不同的顺逆风状态，需要不同的启动策略以提高系统启动的可靠性。启动根据上一状态的检测结果，配置相关启动参数，启动FOC模块。读取一次Hall状态，将角度信息给到角度估算模块，然后进行启动。同时将系统状态切换至运行。在运行状态下，电机已经处于速度-电流双闭环运行状态，电机的运行Kp、Ki参数的实时调整，达到理想的运行效果。预对齐停止状态下，电机停止运转，同时利用电机内部的电气特性，高频保持一定的电流实时变化，实现电机使用电力锁轴抱闸的目的。错误状态包括HALL传感器故障、过欠压保护、过零丢失、堵转保护和过零保护等5个故障。这些故障每个故障都会引起电机运行状态错误，还会引发安全风险，因此错误状态模块中断是各个模块中优先级最高的。

2.3闸机电机运行曲线

电机运行曲线是软件对电机控制的直接体现，也是闸机运行性能的主要参考，例如电机响应快慢直接决定了每分钟通行人数多少。一般来说，闸机的开关曲线如图2所示，分为快速启动、匀速运行和急速刹车等个过程。在t1阶段，电机采用S形加速算法快速达到运行速度；在t2阶段，电机平滑匀速运行；在t3阶段，采用S形减速算法快速刹车归零，由于刹车速度过快，常常采取施以反向电流、推高反电动势的方法急速刹车。在本程序中，加减速算法使用S形速度算法。与常见的梯形算法相比，S形加减速的最重要特征是该算法的加速度/减速度曲线的形状如字母S，它形成的速度规划曲线更平滑，从而能够减少对控制过程中的冲击，而T形曲线在加速到匀速的切换过程中，实际中存在较大过冲，电机运行不平稳。

3结束语

本文结合社会需求和实际产品应用，设计了一套完整的硬件和软件系统，提出了“一控制双驱动”的系统架构，详细阐述了每个模块的作用和实现方式，针对控制与驱动电路中的电平不兼容问题，也设计了高效电路实现，同时也介绍了磁场矢量控制算法，将算法和实际软件编程应用结合，细分了软件模块程序，对于闸机运动控制曲线也做了详细的描述，系统通过了现场实验验证。结果表明，该系统满足实际要求需要，实现了闸机的电机驱动控制，可使电机按照预定的速度曲线动作，从方波控制平滑切换到了正弦波控制，性能也优于简单的BLDC六步换相法，同时此方案硬件选型采用全国产化芯片，是一款优良的国产化电机驱动方案，具有良好的使用价值和推广前景。

作者:赵慧萍 刘振强 单位:中船重工集团公司第七一三研究所