工程师学校丨瑞萨电子BLDC电机解決方案

如第2章节所述，控制BLDC电机需要用到输出逆变电路和PWM的电机控制用微控制器。电机RSSK是开封后能立即进行电机控制的套件，包含了电机控制所需的一整套器材。而且，与电机RSSK相对应的控制软件和开发支持工具可以从瑞萨电子的网站上下载，因此谁都能轻易地尝试各种电机控制方式。

同包装的电机控制用微控制器虽然是RX23T型号的，但由于安装了RX23T的基板“CPU卡”可以从逆变板上拆下来，因此只要使用安装了别的电机控制用微控制器的CPU卡（单卖品），就可以使用各种微控制器进行电机控制。说不定还可以帮助您选择用哪种电机控制用微控制器。

与电机RSSK对应的控制软件种类繁多，如：矢量控制，120度通电控制等。这次我们来尝试一下通过使用了霍尔传感器的120度通电控制和无传感器矢量控制进行电机控制。首先来试试120度通电控制。

图1：电机RSSK (Renesas Solution Starter Kit)套件

进行使用霍尔传感器的120度通电控制前，需要将从瑞萨电子网站上下载下来的“霍尔120度通电控制软件”写入电机控制用微控制器中。还要同时使用电机控制的开发支持工具Renesas Motor Workbench。上述工具可从以下各链接中下载。

使用了霍尔传感器的120度通电控制软件，长按二维码获取

Renesas Motor Workbench，长按二维码获取

图2：Renesas Motor Workbench的初始画面

Renesas Motor Workbench有Analyzer功能和Tuner功能。首先来试试Analyzer功能吧。

Analyzer功能的最大特点是能在电机转动的同时不停止CPU，持续读写微控制器内部的变量，并用波形显示。若停止CPU，则可能由于PWM的输出状况而导致电流过大，损坏逆变板。因此，它在电机控制领域中，不像其他应用程序一样在程序中设置暂停，导致无法确认微控制器内部的变量。所以这是一项非常有效的功能。另外，由于电机控制，尤其是矢量控制中，使用了被称为“d轴”、“q轴”的电流值等在微控制器内部演算的电流值，因此在一般的示波器中无法确认数值。

能够直接确认其电流值也可以说是它的一大特点吧。此外，由于能够只提取出达到设置电压的波形以及缩放，作为电机控制用的开发支持工具来说非常有效。比起使用DA转换器或外部总线输出数据或保存在存储器之后进行分析等要高效得多。另外，也可作为通过利用变量来控制电机的转动/停止等的用户界面。由于Renesas Motor Workbench为用户界面，所以，瑞萨电子在网上公开的电机控制程序是利用此程序，实际上是通过120度通电控制来进行电机控制的。

那么我们尝试用120度通电控制，从Analyzer进行操作，让电机转动。操作方法请参照使用说明书或软件的应用指南。

图3：120度通电控制的电流波形
（粉色/红色/淡蓝色：U相/V相/W相的电流波形）与切换通电类型的信号（蓝色）

观察各相的电流波形。用Analyzer确认后，已确认如图3所示的波形。中央用不同颜色表示的波形的详细数据如下所示。虽然由于逆变电路的切换，存在无法取得电流值的时刻，但也形成了具有特点的电流波形。

进行120度通电控制后，会形成矩形波一般的电流波形。另外可知，随着蓝色信号的变化，通电类型会发生切换。看了电机RSSK附带的电机转动的样子之后，并没有感觉到第2次介绍中说明的“不顺畅感”。也就可以理解它为什么被用于实际的应用中。

接下来，进行无传感器矢量控制。同刚才的120度通电控制一样，需要将程序写入装载了RX23T的CPU卡内。无传感器矢量控制的程序公开了2种类型，一种是，一旦写入马上能够进行电机控制的网络公开程序。另一种是在下载了Renesas Motor Workbench的文件夹中，带有Tuner功能的无传感器矢量控制程序。Tuner功能是指能够自动调整矢量控制中所需的电机参数及控制参数的功能。本来，进行矢量控制需要正确设置非常多的参数，但通过利用此Tuner功能，可以将麻烦的参数调整简单化。由于网上公开的程序是已经调整过与所附带的电机相配的参数的程序，所以不需要自动调整。

在此，尽管使用网上已公开的无传感器矢量控制程序也不错，但机会难得，所以我们还是使用Renesas Motor Workbench的Tuner功能进行矢量控制吧。程序在刚才下载的Renesas Motor Workbench的“mot_rmt”文件夹中。

图4：用带有Tuner功能的矢量控制程序连接Renesas Motor Workbench的画面
若利用Renesas Motor Workbench的下载文件夹当中的程序进行工具连接，则可以使用Analyzer功能与Tuner功能这2种功能。

矢量控制需要设置电机参数及控制参数。虽然因程序不同而有所不同，但此参数有20个左右，分别进行调整的话非常耗费工时。Tuner功能可大幅度缩短此工时。

只要连接想让其自动调整的电机，输入电机的“额定电流”“额定功率”“磁极对数”，Tuner功能就可以自动地测量、计算，并输出参数。通过将输出参数编入控制软件中，就可以轻松实现稳定的BLDC电机驱动。

图5：Tuner输出的参数的表示图例
将数据输入Tuner后，会进行自动调整。算出如上所示的控制参数。

按照使用说明书，尝试使用Tuner功能。进行自动调整后，30秒左右就能完成数据调整。根据Tuner功能，可以将调整后的结果输出为可用于瑞萨电子的矢量控制程序的定义文件，或输出为如图5所示PDF文件的报告。不需要多次调整同一电机，还可以简单地积累调整结果，非常便利。

利用自动调整后的参数，通过无传感器矢量控制来驱动BLDC电机。确认直接连接扭矩的电流值，该值可以作为矢量控制的特征的例子。正如第2章节的最后说明，在矢量控制中，进行坐标转换，将3相的交流值当作2相的直流值处理。该2相是扭矩的电流（q轴电流）与产生磁通量的电流（d轴电流）。这些动作可透过萤幕确认（图6）。

图6：矢量控制的电流波形
（红色：q轴电流、蓝色：d轴电流、黄色/橙色/绿色：U相/V相/W相电流）
首先试着让电机以1000rpm进行旋转。该情况下的波形如图6所示。
与扭矩相关的q轴电流（红色线）流过50mA左右。

图7：施加负荷时的电流波形

接下来试着往电机的轴上施加少量负荷。于是，如图7所示，可知d轴电流值保持不变，仅与扭矩相关的q轴电流增加了100mA左右。这是因为是根据负荷来增加扭矩的，不产生浪费。结果就是，用3相来看时，可见各相电流都有所增加。在矢量控制中，尽管改变q轴电流值，增加或减少了与负荷相对应的扭矩，但是通过调整3相电流值来进行此操作是非常困难的。另外，与120度通电控制的电流波形相比，3相的电流值为很漂亮的正弦波。虽然无法用肉眼观察到明显的变化，但可以感觉到转动变得稍微平稳了一些。

这次，我们使用瑞萨电子的电机解决方案套件“电机RSSK”，体验了BLDC电机的120度通电控制和矢量控制。因为使用说明书和应用指南中都有详细的记载，所以可以很顺利地尝试各种控制方式。由于已准备好各控制方式的程序，所以能通过比较，帮助大家更好地理解控制方式。这是为有意购买BLDC电机的客户推荐的解决方案套件。

我们在“电机控制评估套件导入研究和启动网站”上，通过视频等，对导入Renesas Motor Workbench的顺序和电机RSSK进行了详细解说。欢迎使用。

电机控制评估套件导入研究和启动网站，长按二维码获取

目前为止，我们已分3次解说了BLDC电机。BLDC电机和DC电机不同，虽然仅靠接通电源是不会运转的，但它小巧且高效，所以有望在很多领域得到广泛应用，今后应该也会逐渐普及吧。其中，无传感器的矢量控制尤其备受关注，因为它无需使用传感器就可以进行特别高效的控制。虽然无传感器矢量控制十分复杂，但若使用电机RSSK，就可以在短时间内进行实机确认。请务必考虑采用瑞萨电子的电机解决方案来使用小巧、高效，且具有良好可控性的BLDC电机。