在生活水平高度现代化的今天，吸尘器已经成了清洁家庭的智慧家庭必备小家电。吸尘器是利用电机高速运转，形成空气负压，使尘箱内局部真空，从而吸附尘屑这一运作原理完成清扫的一种现代清洁工具。主要由起尘、吸尘、滤尘三部分组成。本文简单介绍基于MM32SPIN25的无传感弦波驱动技术于“手持式吸尘器”的应用实例。

方案特色:

• ARM Cortex-M0高性能电机驱动专用芯片

• 主频高达96MHz

• 内建32位硬件除法器

• 内建多组比较器和运放

• 180度无传感弦波驱动

• 电机转速可达100000rpm (2极电机)

• 速度命令输入可为模拟电压或PWM信号, 並可由FG反饋實際轉速

• 定转速或恒功率运转

• 支持多种数据通信接口：UART IIC SPI

• 完整的保护机制: 过流保护、过压保护、欠压保护、过温保护、堵转保护、进风口堵塞保护

图1. 左图:常见的25.2V/380W手持式吸尘器电机; 

右图:采用MM32SPIN25PF之驱动板

2.  无传感弦波驱动技术原理

于此介绍无传感弦波驱动的技术原理与实现方法.

下图2为弦波磁场导向驱动电机控制框图。流程一开始是由外部输入讯号读取目标速度命令, 经过闭回路加速度斜率控制器运算后, 得到可提供速度PI控制器的速度命令,接着用此速度命令与反馈的实际速度, 经由PI 控制器计算之后产生力矩电流命令Iq。

磁场导向控制器(FOC)功能方块接收到此力矩电流命令及电机的估测角度后, 经过三相电流的反馈、坐标转换、 电流环PI计算、及空间矢量调制(SVPWM)等法则运算, 由此获得要逼近目标转速所需求的三相PWM占空比数据, 之后将此数据产生PWM输出给予外部的电力驱动组件, 以此驱动电机运转。

在磁场导向控制器功能方块产生PWM 讯号的过程中, 滑模估测器(SMO)功能方块负责产生电机运转所需要的估测角度及速度。

图2. 无传感弦波磁场导向(FOC)软件控制框图

下图3为滑模角度估测系统细部的框图, 滑模角度估测器由四个主要功能方块所组成。首先由电流估测器产生估测电流, 并用此估测电流与量测的实际电流Ialfa, Ibeta的差值, 经过bang-bang 控制与低通滤波功能方块运算后, 产生估测的BEMF电压值Ealfa, Ebeta, 将此估测的电压值经过反正切的计算后即可得到估测的转子角度。

图3. 滑模估测(SMO)转子角度估测软件控制框图

本方案的磁场导向控制(FOC)主要有三个坐标转换计算, Clarke转换、Park转换及逆变换Park转换, 目的是要能够控制电机的磁场电流Id及力矩电流Iq, 以实现电机的转速控制。这个理论是由F. Blaschke 在1972年所提出的。

Clarke 坐标转换：

目的是将三相电流的三轴(a, b, c)坐标系统转换为2轴坐标系统。以下算式为Clarke 坐标转换方程式。

图4. Clarke 坐标转换及其方程式

Park 坐标转换：

将静态的2轴坐标系统转换为电机同步旋转的2轴(d, q)坐标系统。d轴表转子磁通电流方向及大小, q轴表力矩电流。以下算式为Park 坐标转换方程式。

图5. Park 坐标转换及其方程式

逆变换Park 的坐标转换：

将电机同步旋转的2轴(d, q)坐标系统转换回静态的2轴坐标系统。以下算式为逆变换Park的坐标转换方程式。

图6. 逆变换Park 坐标转换及其方程式

3.   硬件设计

MM32SPIN25PF内建的比较器和运放,简化了电机驱动板的设计.手持式吸尘器电机驱动板的参考原理图如下:

图7. 基于MM32SPIN25PF的手持式吸尘器

电机驱动板原理图

4.   弦波驱动的相电流波形

本应用案例采用180度弦波驱动,在300W运转下的相电流波形如下:

图8. 300W运转下的弦波相电流波形

堵住进风口时的转速可达100000rpm,弦波相电流波形如下:

图9. 进风口堵塞时的相电流波形

5.   结论

MM32SPIN25PF是灵动微电子推出的高性能电机驱动专用芯片，高达96MHz的主频及32位硬件除法器能满足无传感磁场导向(FOC)弦波算法的高速运算需求。其内建的比较器和运放，更大大地简化了电机驱动板的设计，减少了整套方案BOM成本。