【 ATU NXP-MCX_A系列 】马达调适技巧与流程 ( 上 )

1.    概述

此文章简介说明马达调适的技巧与流程，基于 NXP MCX_A 系列 MCU 硬体搭配 Freemaster 界面来实际操作说明，简易说明BLDC 马达 FOC 控制架构，让使用者快速了解马达控制架构，搭配调适流程，加快学习马达调适技巧，针对不同马达进行调适，马上知道问题点进行参数的调整，而非盲目的调整，本章节针对马达调适与原理，相关的硬体与软体架设，请参考大大通博文 “ MCXA153 EVB 马达开发上手”因文章内容较多，分成上下两个章节。

2.    BLDC / PMSM 马达 FOC 控制架构图

下图为 BLDC / PMSM FOC 控制架构图，如果没有要弱磁控制则不需要控制 Id ，需要先确认回授讯号正确，确认角度估算算法也正确，在到电流环控制参数，最后速度环的调整。

3.    BLDC / PMSM 马达调适流程

本章节与下个章节将会依序根据下方顺序来介绍调适的步骤与内容，请根据流程逐步确认与调适马达，完成马达控制器参数调适。

• 马达参数
• 回授电流采样
• Sensorless 定位 & 开环参数调适
• 角度环调适与确认
• 电流环调适与确认
• 速度环调适与确认
• 位置环调适与确认

4.    软硬体需求

详细硬体与软体建立请参考大大通 “ MCXA153 EVB 马达开发上手”

4.1    软体需求

Mcuxpresso SDK

Freemaster Version 3.2

SDK_2_16_000_FRDM-MCXA153

4.2    硬体需求

FRDM-MCXA153

FRDM-MC-LVPMSM

24V adapter

5.    马达参数

马达调适的第一步，就是获取正确的马达参数内容，MCX_A 调适的软体 ( freemaster )，会根据你提供的马达参数产生初步的控制器参数，参数的产生可以借由极零点设计，根轨迹，相位设计与最大超越量等等，所以提供准确的马达参数，有利于减少调适花费时间，如果马达没有提供参数，可以借由自行量测获取，这里也提供量测方法参考。

5.1    马达额定转速，电压与电流值，极对数

马达先要确认额定电压，电流与转速规格，可以根据马达型号，收寻相关规格，或者询问马达厂商，极对数则可以根据手转一圈产生多少 Sine 波来判断。

5.2    马达电阻，电感量测

将马达灌入直流电源，电压根据额定电压的 5 % 或者电流保护的情况下加入电压源，加入 DC 电压太大或太久会造成马达发烫，需要注意，即可根据电压与电流计算出马达定子阻值 Rs ，接下来量测上电瞬间，接电流勾表，量测电流上升至约稳态电流的 0.68 % 的时间，T = Ls / Rs ，此方式较简易估算，也可以参考 LCR meter 等等量测方式来量测马达电感。

5.3    马达反电动势量测

用手去转动马达，连接马达 UVW 其中两条线，可以得到反电动势的图形，要更精准可以采用三颗水泥电阻模拟中性点来做量测

Ke = Vms / Krpm

{ ( Vpeak to peak )* P ( 极对数 ) * 1000 } / { 2*√2 * Hz ( 波形频率 ) * 60 }

5.4    马达参数输入

软体基本操作请参考大大通博文 “ MCXA153 EVB 马达开发上手 “ 开启 NXP PMSM Freemaster 档案，点选下图 Parameters

右方界面即会显示 MOTOR PARAMETERS 可以填入欲控制的马达参数

5.5     马达保护参数

根据马达的额定转速，电压与电流，配置保护触发的 Value ，马达最小转速为进入闭环后的限制，输入位置如下图所示

6.    电流采样

在马达调适前需确认电流采样是否合理，以及杂讯的影响，根据不同马达的额定电流与峰值电流选择合适的 Shunt 阻值与 OP 放大倍率，让马达电流可以正确的回授至控制器，也需要注意电流 offset 是否与软体符合，这是马达调适的第一步，如果电流回授没有正常，后续马达调适也无法顺利进行，另外在电流采样确认也要注意在杂讯部分也需要避免过大的滤波设计导致电流讯号的 delay

6.1    OP & Shunt 电阻

下图为 OP 放大线路，也需要注意 Shunt 电阻阻值是否会太小，电流讯号不清楚易受杂讯影响，另外 Shunt 电阻需要计算是否可以承受当前运作功率，P = I * V ，调整OP 放大比例让回授讯号清楚，且控制器运行过程不会超过 VCC 范围

6.2     OFFSET 

因为马达电流回授有负的讯号，所以我们需要导入 offset ，让讯号坐落在 MCU 可接收范围，举例如果 MCU 是 3.3 V 系统，让我们尽量设计 Offset 为 1.65V ，反之 5V

系统，让我们尽量设计 Offset 为 2.5V

7.    Sensorless 定位 & 开环调适

根据马达的额定电流，我们可以先预设额定电流 1/3 或者额定电压 5 % 来设计启动时的定位力度，实际上需要根据马达特性，启动时的负载来决定，需要调适让马达顺利定位成功与避免马达定位震动太大，借由调整定位电流大小与定位的时间，来完成调适

7.1 定位参数配置

初步配置 24 * 5 /100 = 1.2 ( 5% )，设计 1 V ，调适定位时间

定位需要测试多次，确定马达每个位置都能顺利启动

7.2 启动开环参数

开环参数调整位置如下，调整电流大小来决定启动的扭力，配置开环转速，与斜坡启动，一般马达会使用 Soft-start 避免启动电流太大，开环切换至闭环时会确认实际转速与转速命令误差，配置误差限制，误差太大则马达控制关闭。

根据下图调整马达启动参数

7.3 开环调适

马达可以撰写简单开环程式，可以测试大约多少 Iq 可以让马达运转起来，代入测试的 Iq ，在 sensorless 运转的开环过程，开环也可确认马达三项电流是否读值正确与

角度换算功能是否可以正常运行。

下图为 Openloop Control 界面

如果想使用电流模式的开环，需要再上电后模式尚未切换时，在下图红框输入 “1”

电流开环运行参数配置运转，参数修改位置如下图

电压开环运行参数配置运转，参数修改位置如下图

7.4 实际波形图

马达量测实际电流，可以观察定位与开环状态，可换算预计转速是否正确

8.    MCX_A BLDC 马达调适流程_下

下个章节说明 PID 原理与调适技巧，并继续依序说明马达整体调适流程

角度环调适与确认 -> 电流环调适与确认 -> 速度环调适与确认