博文 | 基于灵动微 MM32SPIN560C 电机调试的方法

简介

本博文基于世平集团的灵动微 MM32SPIN560C 无刷电机开发板在用户调试电机时，描述在用户拿到电机时从硬件至软件的调试过程。

1 硬件平台

灵动微 MM32SPIN560C 无刷电机开发板方案链接：
https://www.wpgdadatong.com/solution/detail/37060

1.1 MM32SPIN560C 带有栅极驱动器的 MCU 简介

MM32SPIN560C 使用高性能的 Arm Cortex-M0 为内核的 32 位微控制器，最高工作频率可达 96 MHz。
128KB Flash，8KB SRAM
2 个12 位的 ADC，采样速度高达 3 Msps。
5 个通用定时器、2 个针对电机控制的 PWM 高级定时器。
1 个 I2C 接口、2 个 SPI 接口和 3 个 UART 接口。
针对电机应用内置 3 个运放，3 个比较器。
预驱工作电压高达 60 V。

2 电机调试方法及流程

2.1 矢量控制框图

当我们拿到 MM32SPIN560C 开发板与电机时，我们的应对框图中的模块一一调试，以达到最佳效果 。

2.2 验证三相 PWM & ADC 触发采样时间

1、不外接电机，使用高级定时器输出 6 路互补的 PWM ，改变占空比，查看输出波形是否正确。
2、不外接电机，利用 ADC 中断使 LED 翻转 ，使用示波器查看 PWM 下管导通时，ADC 中断触发 LED 的翻转的跳变沿应在下管导通期间内的中点。

2.3 测试相电流采样

1、不接电机，ADC 采样相电流，ADC 的采样值应为硬件所设计偏移电压值，此时值应趋于稳定。
2、接上电机，将 U 相占空比设置为 5%，V、W 相设置为 0 ，用示波器或万用表测量采样电阻，此时应该有电压值，并用 ADC 读取 Ia、Ib、Ic 的电流值，此时 Ia 相电流应为正，Ib、Ic 相电流应为负，如若不对，采样相序有问题。

2.4 调试 SVPWM 模块

通过 SVPWM 模块可以把 FOC 的控制结果转换为定时器 6 个通道的占空比，从而驱动三相全桥控制定子绕组产生旋转磁场，拖动转子旋转。验证 SVPWM 模块的功能，需要使用反 park 变换和 SVPWM 模块，产生开环的旋转磁场。

1、将 MM32SPIN560C 代码中的 FOC 部分注释掉，只保留反 park 变换函数和 SVPWM 函数。
2、反 park 变换中输入的参数有三个，Angle、Ud、Uq。
① 首先我们设置 Angle，假设我们的电机为 2 对极，PWM 频率为 20 Khz，我们想使电机达到 500 Rmp，则 Angle = (2*500*360)/20000 = 0.3° 则每次中断角度自增 0.3°，在程序中我们用到的 Q15 格式的定标是 Π 为基准值，则我们在程序中设定 Angle = (0.3°/180°)*32767 = 54(标幺值)。
② Ud = 0。
③ Uq 我们在设定时不应超过 (Udc/√3) ，假设母线电压为 24V，程序中的标幺化计算则为 Uq = ((24V /√3) / 24V )*32767 = 18918(标幺值)，那么我们可以根据电机的 KV 值去计算电机在 500 转时的给定电压。
④ 将电机接入，微调 Uq 的给定值，使电机稳定的旋转起来，再次去观察 Ia、Ib、Ic 的电流波形，应为连续的三相相差 120° 的正弦波形。

2.5整定电流环 PID 参数

1、将 MM32SPIN560C 代码中的 clark 变换、park 变换、PID 控制器加入。
2、将电机在 2.4 小结的状态中继续旋转，观察 Id、Iq 的波形，应该是两条直线（略带弯曲正常），如果为正玄，则 Ia、Ib、Ic 相电流顺序与与真实 U、V、W 相反了。
3、当前的系统输入参数有三个，Iq_Ref、Id_Ref、Angle ，我们可以先整定 Iq 的 PID 参数。
① 将 Id 的 PID 参数设置为 0。
② 在程序中的设定 Iq_Ref，假设 Iq_Ref 设定在 0.5A，相采样电阻阻值为 50 毫欧，运放的放大倍数为 5，运放的偏执电压为 2.5V，ADC 的满量程为 5V。则 Iq_Ref = (0.5A/ (5V/2/5/0.05R)) * 32767 = 1638。
③ 运行电机，观察反馈的 Iq 与 Iq_Ref 的误差，调节 Iq 的 PID 参数 Kp 、Ki ，使 Iq 收敛到 Iq_Ref 上。
④ 对于表贴电机 Iq 的 PID 参数可以一一带入 Id。

2.6 角度闭环

通过传感器或观测器将观测 Angle 值，与自增 Angle 值相同。

1、将 MM32SPIN560C 代码中的 SMO、PLL 模块加入，设定 Id_Ref 、Iq_Ref、自增 Angle、测量 Rs、Ls、极对数填入 SMO 参数中。
2、观察 Id、Iq、观测 Angle、自增 Angle 的波形。
① Id、Iq 接近于 Id_Ref、Iq_Ref 。
② 观测 Angle、自增 Angle 两个波形应该都是幅值相同的三角波，如果观测 Angle 的变化方向与自增 Angle 不同，那么观测 Angle 的输出角度值需要反向。如果他们两者的波形并不重合，在水平轴上存在偏差值，那么我们需要修改 SMO、PLL 的整定参数。

2.7 验证电流环闭环

给定的 Iq_Ref 的正负会使电机正反转。并且在 ±Iq_Ref 数值一致时，电机的正反转速度也应该相同,( Id 的作用是把转子固定在当前角度，不让转子动, Iq 的作用产生扭矩，吸引着转子旋转)。

1、将 Iq_Ref = 1638 ，Id_Ref = 0。由于滑膜观测器在低速时观测角度不佳，我们在启动时应开环带转到一定速度再切入角度闭环。
2、切入角度闭环后，观察 Ia、Ib、Ic、波形应为连续的三相相差 120° 的正弦波形，若 Ia、Ib、Ic 曲线发生畸变，不是正弦波形，则需要降低比例及积分作用。

2.8 速度闭环

在一般的应用场景中不考虑对电机进行弱磁控制，会将 Id_Ref 设置为0，则速度的 PID 整定后的输出参数为 Iq_Ref, 输入的参数为 Rmp。

1、首先将速度 PID 的输出 Iq_Ref 限幅在可控的安全电流内，启动电机，调节 Kp、Ki 比例使速度实际值与速度参考值接近。
2、观察速度 PID 的输出 Iq_Ref 与反馈的 Iq 波形，调节速度参考值，观察 Iq_Ref 变化后反馈的 Iq 波形的收敛速度，微调电流环 Kp、Ki 使其在合适的范围内。同方法再调节速度实际值与速度参考值的收敛速度。使电机在实际工作中可以得到快速响应。

3、总结

本文介绍了 MM32SPIN560C 开发板在调节不同的电机时，如何分析并整定电机参数，调节各个模块之间的耦合，使其电机达到最佳的工作状态。如遇到无法解决的调试问题可以联系我们邮箱：atu.sh@wpi-group.com ，我们将在收到后及时给予您回复。

4、参考文献

(1) MM32SPIN560C Datasheet