§00 前言

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  各位同学大家好，很高兴能够有这个机会给大家分享我们队伍今年参加十七届智能车竞赛单车组的备赛过程。我们组的队员大多是第二次参加智能车竞赛，因此今年的参赛重点更多在于无刷电机控制技术的研究，无刷电机的开发时间以及难度较大，当完成了无刷电机的FOC控制之后，剩余用于图像处理以及参数整定的时间不足，使得我们的车模在省赛中表现不佳，但是针对无刷电机的开发以及在单车组别的应用也积累了较多经验，希望能够分享给大家。

  本次推文将分为FOC的设计过程、机械结构的搭建、电机选型和控制器设计以及FOC控制动量轮的优劣四个部分展开。

▲ 图1 车模成品照片

 

§01 无刷电机驱动

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1.1 FOC驱动器与主板硬件组成方式

  确定电机开发方式后第一步就是硬件组成方式。无刷电机控制较为复杂，并且需要消耗较多的主控资源，一种常用的方式是将电机、编码器、驱动器等组合到一起，形成一个驱动单元，用户只需要通过调节占空比等方式，将控制信息传输给驱动单元即可，类似于航模中使用的电调。另一种则是将无刷电机驱动和主板合二为一，使用一颗单片机来控制所有的外设。

  电调方案的好处在于使用简单，并且，主板和驱动相互独立，对程序的编写和硬件设计的难度也有所降低。缺点在于单车组别的控制环路并不成熟，电机型号、控制频率、控制方式等都需要做大量的尝试，驱动和主板分离的方式不利于控制频率、控制器选择等方面的修改、尝试。将主板和驱动合二为一的好处在于有效的降低了体积，同时方便对控制频率、控制方式等进行修改尝试，缺点则在于开发难度相对较高，综合考虑，我们选择的是将驱动和主板合二为一的组成方式。

▲ 图1.1.1 两种驱动组合方式

1.2 FOC驱动器电机控制芯片选型

  明确组成方式后，下一步就是电机控制芯片选型，考虑到集成方案对性能有较高的需求，主控芯片选择了TC264单片机。这款单片机最与众不同的地方在于采用双核TriCore™架构的高性能 32 位微控制器。一个核心用于主板相关外设的控制以及图像处理等，另一个核心专门用于无刷电机的控制。虽然英飞凌也有TC364、TC377等其他更强性能的单片机型号，但是根据以往的经验来看，性能越强的单片机对硬件的处理要求越高，开发难度也越大。综合来看，TC264的性能完全足够，硬件也相对简单。

1.3 FOC驱动器预驱动及MOS选型

  今年单车组别限定采用英飞凌单片机作为主控，加之英飞凌本身也是国际顶级功率器件厂商，预驱及MOS也主要在英飞凌产品线中选择。预驱选择了IR2184STRPBF，其特点是驱动能力强，输出1.4A，输入1.8A，电压范围为10-20V，且带有欠压保护，兼容3.3V和5V的输入逻辑信号,自带死区保护，只需要使用3路PWM即可完成电机控制。更重要的是，这颗芯片在立创、云汉等大型B2C电子商城可以很方便的买到，也有EG2184等国产替代方案能够兼容，在全球缺芯的大背景下，最大程度上避免板子画完买不到芯片的尴尬。

MOS选择了BSC070N10NS5，这款MOS耐压100V,最大电流80A, 10V的时候内阻低至7毫欧，开启电压低至3.8V左右，性价比较高。我们采用的英飞凌无刷电机驱动方案的三大主要器件组成为：TC264+ IR2184STRPBF+ BSC070N10NS5

▲ 图1.3.1 驱动器中的主要器件

1.4 第一代主板设计思路

  完成方案选型之后，就是PCB绘制。我们组绘制的第一版PCB如图所示，考虑到缺乏无刷驱动的布局经验，该版主要参考了逐飞开源BLDC电机驱动器的思路，没有将单车组别的机械要求考虑在内。将功率部分集中在板子的左侧，右侧用于布置电源以及数字器件。和电流采样相关的模拟器件集中布置在单片机ADC口附近，减少噪声的引入。值得一提的是，大功率器件在工作时有较大的工作电流，板子不同位置的地之间会产生压差，从而影响到数字器件的工作。

  一个通常的解决办法是利用单点接地的方式，将数字器件的地整体通过一个端点与功率部分进行连接，从而使得数字器件的地平面作为一个整体进行浮动。该板子采用四层板工艺，第二层作为单独的地平面，利用线条的方式将地分为功率地、数字地、电源地三部分，在靠近电池接线处连接，确保了各部分工作的稳定。

▲ 图1.4.1 第一代主板设计图

1.5 第二代主板设计思路

  有了第一版布局积累的经验后，结合单车组本身机械特点，绘制了第二版PCB。去年参赛时，曾经看到某安徽赛区的队伍将主板布置于车身右侧后部，用以抵消车体左侧齿轮组的重量。我们受此启发，也按照该方法进行布置。

▲ 图1.5.1 合肥工业大学第十六届单车

  但是单车体积较为小巧，单块板子的大小无法合理的布置元件。便采用两块PCB，组成叠板的方式搭建主板。由于用于驱动单车运动的有刷电机位置较高，因此将第一代主板中的功率部分作为外侧板，直接焊接在有刷电机接口上。数字与电源部分作为内层板。内层板与外层板之间采用贴片螺母连接电源，利用FPC排线连接控制信号。这样设计的好处在于有效的缩小了体积，同时两块PCB组成的主板大致在重量上可以抵消车身左侧电机齿轮组的重量，左右均衡。

▲ 图1.5.2 第二代主板电路设计

  经过一段时间的使用，也发现了这样的连接方式存在的问题，首先，将主控芯片以及其他接口都集中于内层板，一旦出现问题，需要将焊接在电机上的外层主板取下才可检查，而一旦驱动部分与内层板出现问题，且问题原因不明确时，就还需额外飞线代替贴片螺母连接外层板和内层板，调试起来非常麻烦。

▲ 图1.5.3 第二代主板维修方式

▲ 图1.5.4 第二代主板安装方式

1.6 第三代主板设计思路

  基于第二版存在的问题，第三版pcb采用新的设计思路。一般来说， DC-DC、LDO等智能车常用的电源模块完成布置后，在使用的过程只要避免短路，通常不会出现其他问题。同时，第一版和第二版PCB中，用于mos管到连接器之间的大面积铺铜占据了非常多的面积。

  第三版首先将内层板改为用于布置TVS、DCDC、大容值电容等与电源相关的元件，将经过降压的电源通过贴片螺母与上板相连，将所有的数字部分与驱动部分都集中与上层版，并改变mos管排列方式，尽可能的靠近连接器，以减少mos管到连接器之间铺铜所占据的面积。从性能参数指标出发，将BSC070N10NS5 换为DricetFET MOS IRF7480。对于电流采样的模拟信号部分，则选用了更小封装的替代型号以减少体积，整体的设计如下图所示。

▲ 图1.6.1 第三代主板设计

  通过这样的设计，所有容易出现问题的元件都位于外层板，出现一般的问题时，可以直接定位进行维修，即使是出现更复杂的问题，也只需要将外层板拆下，利用数字电源外接供电即可进行定位维修，降低了维修难度。

▲ 图1.7.1 第三代主板维修方式

1.7 硬件PCB设计总结

  自此，硬件驱动器的介绍就基本完成，由于时间以及篇幅的限制，主要介绍了开发过程中的三个大版本的开发以及升级思路，中间小版本迭代的细节只能掠过。而FOC驱动器既包含了大功率部分，也包含了电流采样等高精度模拟部分，许多微小的细节都会影响到最终的控制效果。例如，曾经有一个版本的滤波器位置靠近差分运放的输出，距离单片机ADC引脚较远。就在滤波器和ADC引脚之间，引入了新的噪声，使得电流采样精度不理想，后一个版本，将滤波器靠近单片机ADC引脚后，该问题才得以解决。开发过程中，累计修改了7版PCB，焊接了30余块之后才使得硬件逐渐稳定。

▲ 图1.7.1 不同滤波器位置对比

▲ 图1.7.2 第一代主板实物图

 

§02 机械结构搭建

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2.1 电池安装位置

  今年的比赛规则中首次允许引入动量轮辅助车模平衡，涌现出了非常多的结构方案。通过和其他学校的交流，基本上动量轮与电机的位置较为固定，电池的选型和摆放位置各有千秋。在介绍我们组电池选型与摆放位置之前，需要介绍我们在本次备赛过程中针对电机选型犯下的错误。通过一直以来积累的工程经验，一般来说，电机的功率和电机的尺寸基本呈线性相关性。也就是说相同体积的电机，其扭力和KV值可能不一样，但最终输出的总功率基本相同。并且无刷电机取消了换向结构，相同体积下能够实现更大的功率输出。当我们拿到龙邱推荐的方案之后，参照其体积，选择了大疆精灵无人机上所使用的2312S电机，该类电机体积小巧，但是也有不错的扭力和速度、并且由于是拆机电机，淘宝上能够以很便宜的价格买到该电机。

▲ 图2.1.1 2312s电机

  拿到该电机后，出于对工程经验的迷信，我们没有经过详细的测试就基于该电机设计了一套电池支架。这套支架由2片支撑支架和2片电池座组成，一片支撑支架和一片电池座组成一套。支撑支架与电池座之间采用1mm厚度的贴片螺母连接，保证结构强度的同时方便拆装。两套支架分别安装在车身舵机安装位置的外侧，用于固定电池与电机。本想着，这样的电池放置方案，重心低，连接强度高，也方便更换。车体也十分修长，造型也美观。

▲ 图2.1.2 电池支架

  可没想到，当我们将整套硬件设计安装完成之后，却发现2312S电机带动动量轮之后产生的扭矩非常小，当人手动将车身控制在平衡范围后，小车可以保持平衡，但是外界添加较小的扰动的情况下，动量轮产生的恢复力便明显不足，车身无法保持稳定。这也使得我们不得不放弃这一电机，转而尝试其他电机。由于当时已经靠近省赛时间，而手头上有的电机大多为外转子盘式电机，直径较大，之前设计的电池放置方式也就无法使用，所以，我们最终选择的方式是选用小容值的3S锂电池，利用无痕胶固定在单车后部的平台上。这样的连接方式虽然简单，但是安装不便，同时每次拆装电池都不可不免的产生错位，省赛过程中就产生平衡角度问题，未能完赛。

▲ 图2.2.1 车模调试实物图

2.2 屏幕安装位置

  除了电池外，屏幕与按键的摆放位置也百花齐放。实验室有一套完善的无线上位机方案，能够在电脑端查看图像等相关信息，屏幕和按键更多起到参数调节与模式选择的作用，没有观看赛道信息的需求。我们将屏幕，按键以及连接器组成一块媒体版，将电机、主板等其他元件安装到位后，利用铅锤法确定单车的重心偏向分布，利用无痕胶将媒体版放置于单侧左侧后方，齿轮组外侧挡板上，以平衡车身重心。

▲ 图2.2.1 车模侧视图

 

§03 电机与控制

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3.1 电机选型经验

  在备赛的过程中，我们尝试了10余款电机，虽然没有找到让人觉得特别适合单车使用的无刷电机型号，但是积累了一些电机选型经验。从物理量角度来说，飞轮产生角动量守恒力矩主要通过电机的加速度产生。当电机的KV值越高，能够持续产生加速度的时间也就越长，不会像一些低转数的电机很容易就到达电机最高转速，无法产生持续的加速度。高KV电机的缺点在于较小的扭矩，在电机加装了大质量的动量轮之后，由于负载的增加，无法实现快速的的速度响应产生加速度。总的来说，动量轮控制需要电机具有一定的扭矩，同时有尽可能高的转数，当扭矩和转数不可兼得时，优先考虑高转数。量化到具体的参数来看，KV值最好高于700以上，最大拉力不小于1000（由于大多数航模电机无法找到明确的扭力参数，只能查到最大拉力，故给出最大拉力的建议）。

  从电机类型角度来说，更推荐使用外转子无刷电机。这是由于外转子电机外壳可以直接与动量轮连接，节省了联轴器的体积，空间利用率更高，同时连接飞轮后动平衡控制更加优秀。一般来说，高转速无刷电机更多采用内转子方案，因此电机的选型是一个较为复杂，不断尝试的过程，和车体本身的机械处理，控制算法等密切相关。但是可以明确的一点是，高扭矩低转数的盘式电机，个人认为并不适合动量轮控制。经过测试，个人认为较为适合的电机包括，V3508、V4006等电机，仅供大家参考。

3.2 控制方案

  控制器设计上，也涌现出了非常多优秀的方案，包括角速度-角度-速度的串级控制，基于对物理量建模分析得到的LQR控制等等，还有将LQR与串级结合的速度-LQR控制。从测试经验来看，控制效果与控制器、电机类型、机械结构等紧密相关。由于无刷电机本身的特性，采用FOC控制最内环一定要实现电流环控制，否则受反向电动势与温度的影响，只能发挥40%的性能。

  一般的，如果采用低转速高扭力的盘式电机，例如5008-385KV这类电机，比较适合采用电流-角速度-角度-速度这样的串级控制方式。该类电机扭矩大，即使在多片配重的情况下，也能实现快速的响应，但是KV低，电机很容易就达到最大速度而无法产生较为持续的加速度。角速度响应频率快，适合电机进行快速调节。如果采用电流-LQR的控制方式，则很容易使电机瞬间达到最大速度，无法产生持续力矩用于平衡,更推荐较高KV值的电机使用。从控制效果来说，利用角速度-角度-速度环路，随着车模运行速度的增加会天然的产生压弯的效果，而基于LQR控制则能使车身基本保持平衡。总的来说选择不同的控制器，会产生不同的控制效果，也要结合图像其他因素共同考虑。

 

§04 FOC控制优劣

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  我想来聊一聊FOC控制对比其他电机控制方式应用于动量轮的优劣。FOC最大的优势在于线性度，B站许多采用BLDC控制动量轮的队伍都遇到过在低速情况下换相不及时导致的抖动，而FOC则完全没有这一问题，平衡角度控制的稳定性要远胜于BLDC。其次，FOC拥有BLDC所无法企及的超高速换向能力，这一特性可以说是双刃剑，优点是在一些极端情况下，可以使得车模恢复平衡，缺点容易瞬间到达电机最大转速，产生恢复力的持续时间有限，参数整定十分困难。

  最后，则是FOC控制的实现难度巨大，今年上半年的几乎每一个周末，我都是在实验室度过的，直至省赛前的7月18日，整套系统才完全稳定。智能车竞赛其实是一个水桶效应，某一方面的突出性能并不能显著的提升成绩，控制、图像、机械、滤波器等几乎每一个细节都会影响小车的运行效果，如果参加智能车竞赛是出于追求成绩的角度，把大量时间和精力投入在FOC开发并不值得，更推荐使用逐飞开源的BLDC方案或者研发有刷直流电机的电流-速度串级控制。但如果以追求挖掘单车组别的极限性能为目标，FOC则是不可缺少的利器。

 

※ 总  结 ※

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  为了展示这款基于TC264单片机的FOC驱动器的性能，我搭建了一个简易的测试平台，展现了电流闭环、速度闭环两种控制方式。

▲ 图5.1 驱动测试平台

  另外，本项目中，第一版本驱动的硬件部分开源，该版本已经过实际打板测试，希望能够为对FOC控制感兴趣的智能车er提供一些帮助。

• 开源地址：https://oshwhub.com/zebiner/ying-fei-ling-TC264dan-pian-ji-d

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● 相关图表链接:

• 图1 车模成品照片
• 图1.1.1 两种驱动组合方式
• 图1.3.1 驱动器中的主要器件
• 图1.4.1 第一代主板设计图
• 图1.5.1 合肥工业大学第十六届单车
• 图1.5.2 第二代主板电路设计
• 图1.5.3 第二代主板维修方式
• 图1.5.4 第二代主板安装方式
• 图1.6.1 第三代主板设计
• 图1.7.1 第三代主板维修方式
• 图1.7.1 不同滤波器位置对比
• 图1.7.2 第一代主板实物图
• 图2.1.1 2312s电机
• 图2.1.2 电池支架
• 图2.2.1 车模调试实物图
• 图2.2.1 车模侧视图
• 图5.1 驱动测试平台