背景：原始提案

我們的項目專注于改進電動汽車電機的控制系統，該系統以前由 UDA E-Team（厄瓜多爾阿蘇埃大學的簡稱）在賽車比賽中使用。該項目提出了控制器的第三個版本（第一個和第二個版本是用不同的微控制器建模的）。借助新的 Arduino Portenta，我們不僅希望提高電機能效，增加新的電流和電壓傳感器，還希望改善控制器多個階段的整體電子設計，例如預驅動器、功率級等等。

背景：UDA 電子團隊

Universidad del Azuay 此前曾參加過電動汽車競賽。在其中一個內容中，UDA 的學生和教授設計并實現了電動賽車卡丁車。該實施包括開發主要用于控制和監控中型無刷直流 (BLDC) 電機的電氣和電子電路。

學生設計了很多電路，其中包括許多不同類型的晶體管，例如 MOSFET、IGBT、COOLMOS 等。這些器件用于為電機創建三相驅動器。然而，這項任務是系統中最復雜和最關鍵的任務之一。需要許多設計和嘗試來創建能夠根據用戶命令使電機移動的三相驅動器。

除了最初的問題，該團隊還面臨許多其他缺點：由于運輸和定制時間，我國的 PCB 制造速度較慢。由于電路板內附近設備中大電流的影響，電源系統的 PCB 設計要困難得多。糟糕的設計也會導致散熱問題。預算限制以及測試它們的電子設備和設備的可用性是團隊必須克服的另一個限制。

因此，電機有一個專為開環控制而設計的電路。電機運行良好，但我們需要監控其他參數并添加閉環控制以提高各種情況下的性能。

提案

• 改進我們的 BLDC 電機的三相驅動器
• 閉環控制器：梯形控制和磁場定向控制（FOC）
• 獲取電機的霍爾傳感器信號和電流傳感器信號
• 使用 Arduino Portenta 集成所有部件
• 使用 Altium Designer 為所有部件設計新的 PCB

新設計

新設計由多個 PCB 組成，適合使用 Arduino Portenta 調整所有部件。

由于 Portenta 使用 3.3 V，我們決定創建一個小型適配器板來為我們的新控制器提供電壓水平。

前置驅動板由STRDRIVE601芯片組成，三路半橋高壓門極驅動，兼容3.3V輸入（如Portenta），一般用于驅動下一級功率晶體管. 該芯片周圍環繞著其他元素，以適應其所有功能。例如，我們可以使用帶有放大器和幾個無源元件的簡單電路來監控來自電機相位的電流。對于輸入，我們可以完全控制電機的三相，也可以簡單地輸入一個電壓電平來加速或制動電機。

電源驅動板由六個半橋 MOSFET 驅動器組成。由于電機使用的電流超過了單個 MOSFET 可以驅動的最大電流，因此我們為每個驅動器相位并聯了三個 MOSFET，總共有 18 個器件。

為了能夠監控電機各相吸收的電流，在每個驅動器相中添加了精密大功率電阻器。

編碼

我們將代碼基于一個名為SimpleFOC的開源庫，該庫是為 Arduino 制作的。該庫為 BLDC 和其他電機實現了 FOC 算法。該算法允許根據每個電機上可用的反饋（傳感器）完全控制 BLDC 電機，包括位置、扭矩和速度。

我們基于 SimpleFOC 庫的示例創建了三個不同的代碼來測試電機：

1. Vel1.ino。這個 Arduino 草圖是第一個測試。它只是由一個模擬輸入（加速器/油門）組成，它決定了電機的速度。這個簡單的測試使我們能夠評估電機特性和 PCB 功能。在此模式下，電機以開環控制運行。
2. Vel2.ino。制作這個 Arduino 草圖是為了使用嵌入在電機中的霍爾傳感器來測試之前的功能。我們對此進行了測試以檢查霍爾傳感器讀數的準確性，以便我們可以對常數進行一些調整。
3. Vel3.ino。在最后的草圖中，我們調用庫中的函數進行 FOC 速度控制并設置 PID 控制器參數。

結論和注釋

• 與新的 Arduino Portenta 合作，我們感到非常高興和興奮。在本次比賽之前，我們回顧了這款設備的新功能，我們期待看到我們還能用它做些什么。
• 因為這是一款新設備，新 Portenta 的一些功能無法與 SimpleFOC 庫一起使用。例如，我們有 Portenta 分線板，但庫與分線板的庫不兼容。因此，即使有超過 9 個 PWM 端口可用，我們也只能使用其中的 6 個（Portenta 板上的那些）。這足以控制電機驅動器。但是，我們需要更改庫中的幾個值以使用所有 PWM 引腳。最后，我們需要做更多的實驗，這樣我們才能驅動我們的半橋驅動器的所有高端和低端。目前，Portenta Board 及其庫與 SimpleFOC 庫并不完全兼容。
• 為了利用 Portenta 處理器的速度，我們想讀取功率晶體管板上的分流電阻器中的所有電流值。但是，Arduino 中的命令analogRead() 的處理似乎仍然很慢。同樣，我們需要做更多的實驗（例如，使用板的多線程能力）來運行與 PID 和 FOC 算法分離的模擬讀取（）過程。
• 我們對結果非常滿意，但我們需要對代碼進行更多的實驗和改進，以實現一個只使用 Portenta 板及其所有功能的干凈實現。
• 此演練中可用的其他文件包含此項目中使用的設計和代碼。此外，圖片和視頻顯示了系統的運行情況。

審核編輯：劉清