教學用三閉環電機控制器“掌上FOC”的設計實現

海軍工程大學電氣工程學院 嚴思念 趙鏡紅 熊義勇 周楊威

本文設計了一款用于教學的速度、位置、轉矩三閉環可切換矢量控制器“掌上FOC”及其配套軟件。該控制器尺寸僅7.7cm×5.6cm，可使用8～24V安全電壓供電，包含控制、驅動、反饋采樣、上位機通訊等全套功能，配合上位機界面可以觀測各物理量并實現在線調節參數。該控制器的設計實現有助于激發學生對電機控制和嵌入式技術的學習興趣。

隨著現代交流電機控制技術、微型計算機控制技術和大規模集成電路等飛速發展，交流電動機的調速、控制技術得到突飛猛進的發展。當前，交流電動機憑借其高效率、高可靠性及高可控性能已經遍布工業、醫療、航空航天等各個領域。而當交流電機運行于調速性能較高或低速大轉矩需求的場合，則通常采用基于逆變器的磁場定向控制（FOC）方法[1]。

高等院校電機控制的課程安排自然需要涵蓋FOC部分的內容。然而現代電機控制技術具有多學科交叉、理論較抽象等特點，因而當前的教學現狀普通存在以下問題[2]：（1）不夠重視實踐教具設計；（2）學生實操機會少；（3）教學方法比較單一。同時，傳統電機控制試驗平臺體積龐大、高壓危險、學生難以自己動手搭建，降低了學生的學習積極性[3]。隨著教學模式的改變，實踐教學進入課堂，不僅豐富了課堂內容，對培養和提高學生的社會崗位能力也具有重要意義[4]。

鑒于此，本文基于STM32F103C8T6微控制單元（MCU）設計電機三閉環“掌上FOC”控制器，尺寸僅7.7cm×5.6cm，可一手握持，采用LabWindows/CVI設計上位機界面實現波形上傳顯示和在線調參、控制。其供電為8～24V安全電壓，學生可以放心實操。硬件設計軟件采用國產的立創EDA，操作簡單、方便工程共享，學生可自行動手制作、修改打樣，有效加深學生對于電機矢量控制和嵌入式技術的理解。

1 “掌上FOC”結構設計

海軍工程大學電機學課程教師團隊開發了適用于低壓永磁電機、異步電機及無刷直流電機的FOC控制裝置——“掌上FOC”。首先，以感應電機為例明確FOC的控制拓撲，如圖1所示。

根據感應電機FOC控制拓撲，可得出：該控制裝置的硬件需包括控制器最小系統、控制信號的隔離驅動、橋式逆變電路、電流及轉速的采樣反饋，此外還需要供電及通訊接口；而控制器軟件部分涉及到的資源有定時器（PWM）、ADC采樣、通用輸入輸出接口（GPIO）、直接訪問存儲器（DMA）、串口及I2C等通訊。因此給出最終設計得到的“掌上FOC”如圖2所示。

2 “掌上FOC”硬件電路設計

2.1 MCU電路設計

本設計選擇學生容易學習掌握的主流MCU，并要求拓展出易于操作的按鍵接口、指示燈、上位機通訊接口，方便學生觀察、實驗和動手編程操作。

以此為指導設計STM32F103C8T6為核心的MCU電路。其部分原理圖如圖3所示，包括了晶振電路、復位電路、SWD在線調試接口、按鍵及指示燈電路，留有兩路電流采樣的ADC通道和一路串口通訊。此外，擴展出一路I2C通訊和冗余的ADC引腳，用于兼容模擬輸出和I2C通訊輸出的位置傳感器。

2.2 驅動及采樣電路設計

學生可從本部分電路設計中習得電機驅動和采樣的基礎電路拓撲，并確保在實驗中不會存在安全隱患。因而本部分電路應該具備結構清晰簡單、反饋可靠、保護齊備的特點。

此處選用的L6234D三相全橋MOS集成芯片，其最大工作電壓在8～58V，持續工作電流高達2A、最大開關頻率高達50kHz，可以滿足各種桌面級低壓電機（如無刷云臺電機）驅動的實驗需求。此外，其自帶硬件死區生成、過流保護、過溫保護、過壓（低壓）保護、三相PWM獨立使能，可以達到安全性要求。

為了使學生直觀的了解電流采樣原理，此處選用相電流串電阻采樣的方式，因而需要經過的INA240系列芯片進行共模電壓抑制、尖峰保護和調理放大之后才能進入單片機的采樣引腳。該部分電路原理圖如圖4所示。

2.3 電源及通訊電路設計

考慮學生在各種條件下進行試驗的需求，本設計的供電系統需要滿足功率側-控制器單獨供電、統一供電的兼容性需求。因而加入一組開關和隔離型DC-DC變換器滿足不同實驗條件下的切換控制。此處選用金升陽公司的F2405-1WR2，可以在21.6～26.4V輸入電壓下為控制側供5V直流電，后經AMS1117-3.3芯片降壓為3.3V輸入單片機及其外圍電路。

同時，為了學生能夠方便地在上位機觀察電流、轉速、角度等波形，此處設計了基于CH340的串口轉USB電路，使用TYPE-C接口連接計算機。該部分電路原理圖如圖5所示。

2.4 PCB設計

最終設計完成的PCB和CAD設計如圖6所示。電路板的上半部分為控制電路、下半部分為驅動電路，采用四層板設計。強弱電的地層僅通過R11及過孔單點連接，減少耦合干擾。采樣電阻R2、R3使用2512封裝，既滿足了功率要求，也方便學生測量電壓及更換不同阻值進行試驗。

3 “掌上FOC”軟件設計

3.1 矢量控制代碼設計

學生可以基于本設計學習電機控制的代碼編寫，STM32 F103C8T6可使用KEIL5進行ST官方庫函數代碼編寫，其具有語法直觀、易于學習的特點。首先在主函數中進行各變量初始化和矢量控制結構體的賦值。隨后的狀態機、采樣、控制計算全部在高級定時器的中斷中執行。基于C語言的三閉環、可切換矢量控制程序拓撲如圖7所示。

3.2 上位機界面設計

為了學生直觀的觀察電機矢量解耦的效果和PID調節參數的效果，基于NI公司的LabWindows/CVI軟件設計了上位機界面。上位機包含了自動搜索串口、即時調整圖形窗口橫縱軸坐標等易用的功能。其界面和波形顯示如圖8所示。

4 結論

本文介紹了一款用于教學目的、結構小巧、功能齊全、安全性較高的FOC控制器及配套軟件。該控制器能夠在便攜、安全的前提下，完成矢量控制的完整功能展示并清晰的顯示其控制效果；同時，其簡單的結構也易于學生進行復刻、改動等進階學習。該教學用三閉環電機控制器“掌上FOC”的設計實現，對于激發學生學習熱情和加深知識理解有促進作用。