00 前言

??各位同學大家好，很高興能夠有這個機會給大家分享我們隊伍今年參加十七屆智能車競賽單車組的備賽過程。我們組的隊員大多是第二次參加智能車競賽，因此今年的參賽重點更多在于無刷電機控制技術的研究，無刷電機的開發(fā)時間以及難度較大，當完成了無刷電機的FOC控制之后，剩余用于圖像處理以及參數整定的時間不足，使得我們的車模在省賽中表現不佳，但是針對無刷電機的開發(fā)以及在單車組別的應用也積累了較多經驗，希望能夠分享給大家。

??本次推文將分為FOC的設計過程、機械結構的搭建、電機選型和控制器設計以及FOC控制動量輪的優(yōu)劣四個部分展開。

01 無刷電機驅動

1.1 FOC驅動器與主板硬件組成方式

??確定電機開發(fā)方式后第一步就是硬件組成方式。無刷電機控制較為復雜，并且需要消耗較多的主控資源，一種常用的方式是將電機、編碼器、驅動器等組合到一起，形成一個驅動單元，用戶只需要通過調節(jié)占空比等方式，將控制信息傳輸給驅動單元即可，類似于航模中使用的電調。另一種則是將無刷電機驅動和主板合二為一，使用一顆單片機來控制所有的外設。

??電調方案的好處在于使用簡單，并且，主板和驅動相互獨立，對程序的編寫和硬件設計的難度也有所降低。缺點在于單車組別的控制環(huán)路并不成熟，電機型號、控制頻率、控制方式等都需要做大量的嘗試，驅動和主板分離的方式不利于控制頻率、控制器選擇等方面的修改、嘗試。將主板和驅動合二為一的好處在于有效的降低了體積，同時方便對控制頻率、控制方式等進行修改嘗試，缺點則在于開發(fā)難度相對較高，綜合考慮，我們選擇的是將驅動和主板合二為一的組成方式。

1.2 FOC驅動器電機控制芯片選型

??明確組成方式后，下一步就是電機控制芯片選型，考慮到集成方案對性能有較高的需求，主控芯片選擇了TC264單片機。這款單片機最與眾不同的地方在于采用雙核TriCore?架構的高性能 32 位微控制器。一個核心用于主板相關外設的控制以及圖像處理等，另一個核心專門用于無刷電機的控制。雖然英飛凌也有TC364、TC377等其他更強性能的單片機型號，但是根據以往的經驗來看，性能越強的單片機對硬件的處理要求越高，開發(fā)難度也越大。綜合來看，TC264的性能完全足夠，硬件也相對簡單。

1.3 FOC驅動器預驅動及MOS選型

??今年單車組別限定采用英飛凌單片機作為主控，加之英飛凌本身也是國際頂級功率器件廠商，預驅及MOS也主要在英飛凌產品線中選擇。預驅選擇了IR2184STRPBF，其特點是驅動能力強，輸出1.4A，輸入1.8A，電壓范圍為10-20V，且?guī)в星穳罕Ｗo，兼容3.3V和5V的輸入邏輯信號,自帶死區(qū)保護，只需要使用3路PWM即可完成電機控制。更重要的是，這顆芯片在立創(chuàng)、云漢等大型B2C電子商城可以很方便的買到，也有EG2184等國產替代方案能夠兼容，在全球缺芯的大背景下，最大程度上避免板子畫完買不到芯片的尷尬。

MOS選擇了BSC070N10NS5，這款MOS耐壓100V,最大電流80A, 10V的時候內阻低至7毫歐，開啟電壓低至3.8V左右，性價比較高。我們采用的英飛凌無刷電機驅動方案的三大主要器件組成為：TC264+ IR2184STRPBF+ BSC070N10NS5

1.4 第一代主板設計思路

??完成方案選型之后，就是PCB繪制。我們組繪制的第一版PCB如圖所示，考慮到缺乏無刷驅動的布局經驗，該版主要參考了逐飛開源BLDC電機驅動器的思路，沒有將單車組別的機械要求考慮在內。將功率部分集中在板子的左側，右側用于布置電源以及數字器件。和電流采樣相關的模擬器件集中布置在單片機ADC口附近，減少噪聲的引入。值得一提的是，大功率器件在工作時有較大的工作電流，板子不同位置的地之間會產生壓差，從而影響到數字器件的工作。

??一個通常的解決辦法是利用單點接地的方式，將數字器件的地整體通過一個端點與功率部分進行連接，從而使得數字器件的地平面作為一個整體進行浮動。該板子采用四層板工藝，第二層作為單獨的地平面，利用線條的方式將地分為功率地、數字地、電源地三部分，在靠近電池接線處連接，確保了各部分工作的穩(wěn)定。

1.5 第二代主板設計思路

??有了第一版布局積累的經驗后，結合單車組本身機械特點，繪制了第二版PCB。去年參賽時，曾經看到某安徽賽區(qū)的隊伍將主板布置于車身右側后部，用以抵消車體左側齒輪組的重量。我們受此啟發(fā)，也按照該方法進行布置。

??但是單車體積較為小巧，單塊板子的大小無法合理的布置元件。便采用兩塊PCB，組成疊板的方式搭建主板。由于用于驅動單車運動的有刷電機位置較高，因此將第一代主板中的功率部分作為外側板，直接焊接在有刷電機接口上。數字與電源部分作為內層板。內層板與外層板之間采用貼片螺母連接電源，利用FPC排線連接控制信號。這樣設計的好處在于有效的縮小了體積，同時兩塊PCB組成的主板大致在重量上可以抵消車身左側電機齒輪組的重量，左右均衡。

??經過一段時間的使用，也發(fā)現了這樣的連接方式存在的問題，首先，將主控芯片以及其他接口都集中于內層板，一旦出現問題，需要將焊接在電機上的外層主板取下才可檢查，而一旦驅動部分與內層板出現問題，且問題原因不明確時，就還需額外飛線代替貼片螺母連接外層板和內層板，調試起來非常麻煩。

1.6 第三代主板設計思路

??基于第二版存在的問題，第三版pcb采用新的設計思路。一般來說， DC-DC、LDO等智能車常用的電源模塊完成布置后，在使用的過程只要避免短路，通常不會出現其他問題。同時，第一版和第二版PCB中，用于mos管到連接器之間的大面積鋪銅占據了非常多的面積。

??第三版首先將內層板改為用于布置TVS、DCDC、大容值電容等與電源相關的元件，將經過降壓的電源通過貼片螺母與上板相連，將所有的數字部分與驅動部分都集中與上層版，并改變mos管排列方式，盡可能的靠近連接器，以減少mos管到連接器之間鋪銅所占據的面積。從性能參數指標出發(fā)，將BSC070N10NS5 換為DricetFET MOS IRF7480。對于電流采樣的模擬信號部分，則選用了更小封裝的替代型號以減少體積，整體的設計如下圖所示。

??通過這樣的設計，所有容易出現問題的元件都位于外層板，出現一般的問題時，可以直接定位進行維修，即使是出現更復雜的問題，也只需要將外層板拆下，利用數字電源外接供電即可進行定位維修，降低了維修難度。

1.7 硬件PCB設計總結

??自此，硬件驅動器的介紹就基本完成，由于時間以及篇幅的限制，主要介紹了開發(fā)過程中的三個大版本的開發(fā)以及升級思路，中間小版本迭代的細節(jié)只能掠過。而FOC驅動器既包含了大功率部分，也包含了電流采樣等高精度模擬部分，許多微小的細節(jié)都會影響到最終的控制效果。例如，曾經有一個版本的濾波器位置靠近差分運放的輸出，距離單片機ADC引腳較遠。就在濾波器和ADC引腳之間，引入了新的噪聲，使得電流采樣精度不理想，后一個版本，將濾波器靠近單片機ADC引腳后，該問題才得以解決。開發(fā)過程中，累計修改了7版PCB，焊接了30余塊之后才使得硬件逐漸穩(wěn)定。

02 機械結構搭建

2.1 電池安裝位置

??今年的比賽規(guī)則中首次允許引入動量輪輔助車模平衡，涌現出了非常多的結構方案。通過和其他學校的交流，基本上動量輪與電機的位置較為固定，電池的選型和擺放位置各有千秋。在介紹我們組電池選型與擺放位置之前，需要介紹我們在本次備賽過程中針對電機選型犯下的錯誤。通過一直以來積累的工程經驗，一般來說，電機的功率和電機的尺寸基本呈線性相關性。也就是說相同體積的電機，其扭力和KV值可能不一樣，但最終輸出的總功率基本相同。并且無刷電機取消了換向結構，相同體積下能夠實現更大的功率輸出。當我們拿到龍邱推薦的方案之后，參照其體積，選擇了大疆精靈無人機上所使用的2312S電機，該類電機體積小巧，但是也有不錯的扭力和速度、并且由于是拆機電機，淘寶上能夠以很便宜的價格買到該電機。

??拿到該電機后，出于對工程經驗的迷信，我們沒有經過詳細的測試就基于該電機設計了一套電池支架。這套支架由2片支撐支架和2片電池座組成，一片支撐支架和一片電池座組成一套。支撐支架與電池座之間采用1mm厚度的貼片螺母連接，保證結構強度的同時方便拆裝。兩套支架分別安裝在車身舵機安裝位置的外側，用于固定電池與電機。本想著，這樣的電池放置方案，重心低，連接強度高，也方便更換。車體也十分修長，造型也美觀。

??可沒想到，當我們將整套硬件設計安裝完成之后，卻發(fā)現2312S電機帶動動量輪之后產生的扭矩非常小，當人手動將車身控制在平衡范圍后，小車可以保持平衡，但是外界添加較小的擾動的情況下，動量輪產生的恢復力便明顯不足，車身無法保持穩(wěn)定。這也使得我們不得不放棄這一電機，轉而嘗試其他電機。由于當時已經靠近省賽時間，而手頭上有的電機大多為外轉子盤式電機，直徑較大，之前設計的電池放置方式也就無法使用，所以，我們最終選擇的方式是選用小容值的3S鋰電池，利用無痕膠固定在單車后部的平臺上。這樣的連接方式雖然簡單，但是安裝不便，同時每次拆裝電池都不可不免的產生錯位，省賽過程中就產生平衡角度問題，未能完賽。

2.2 屏幕安裝位置

??除了電池外，屏幕與按鍵的擺放位置也百花齊放。實驗室有一套完善的無線上位機方案，能夠在電腦端查看圖像等相關信息，屏幕和按鍵更多起到參數調節(jié)與模式選擇的作用，沒有觀看賽道信息的需求。我們將屏幕，按鍵以及連接器組成一塊媒體版，將電機、主板等其他元件安裝到位后，利用鉛錘法確定單車的重心偏向分布，利用無痕膠將媒體版放置于單側左側后方，齒輪組外側擋板上，以平衡車身重心。

03 電機與控制

3.1 電機選型經驗

??在備賽的過程中，我們嘗試了10余款電機，雖然沒有找到讓人覺得特別適合單車使用的無刷電機型號，但是積累了一些電機選型經驗。從物理量角度來說，飛輪產生角動量守恒力矩主要通過電機的加速度產生。當電機的KV值越高，能夠持續(xù)產生加速度的時間也就越長，不會像一些低轉數的電機很容易就到達電機最高轉速，無法產生持續(xù)的加速度。高KV電機的缺點在于較小的扭矩，在電機加裝了大質量的動量輪之后，由于負載的增加，無法實現快速的的速度響應產生加速度?？偟膩碚f，動量輪控制需要電機具有一定的扭矩，同時有盡可能高的轉數，當扭矩和轉數不可兼得時，優(yōu)先考慮高轉數。量化到具體的參數來看，KV值最好高于700以上，最大拉力不小于1000（由于大多數航模電機無法找到明確的扭力參數，只能查到最大拉力，故給出最大拉力的建議）。

??從電機類型角度來說，更推薦使用外轉子無刷電機。這是由于外轉子電機外殼可以直接與動量輪連接，節(jié)省了聯軸器的體積，空間利用率更高，同時連接飛輪后動平衡控制更加優(yōu)秀。一般來說，高轉速無刷電機更多采用內轉子方案，因此電機的選型是一個較為復雜，不斷嘗試的過程，和車體本身的機械處理，控制算法等密切相關。但是可以明確的一點是，高扭矩低轉數的盤式電機，個人認為并不適合動量輪控制。經過測試，個人認為較為適合的電機包括，V3508、V4006等電機，僅供大家參考。

3.2 控制方案

??控制器設計上，也涌現出了非常多優(yōu)秀的方案，包括角速度-角度-速度的串級控制，基于對物理量建模分析得到的LQR控制等等，還有將LQR與串級結合的速度-LQR控制。從測試經驗來看，控制效果與控制器、電機類型、機械結構等緊密相關。由于無刷電機本身的特性，采用FOC控制最內環(huán)一定要實現電流環(huán)控制，否則受反向電動勢與溫度的影響，只能發(fā)揮40%的性能。

??一般的，如果采用低轉速高扭力的盤式電機，例如5008-385KV這類電機，比較適合采用電流-角速度-角度-速度這樣的串級控制方式。該類電機扭矩大，即使在多片配重的情況下，也能實現快速的響應，但是KV低，電機很容易就達到最大速度而無法產生較為持續(xù)的加速度。角速度響應頻率快，適合電機進行快速調節(jié)。如果采用電流-LQR的控制方式，則很容易使電機瞬間達到最大速度，無法產生持續(xù)力矩用于平衡,更推薦較高KV值的電機使用。從控制效果來說，利用角速度-角度-速度環(huán)路，隨著車模運行速度的增加會天然的產生壓彎的效果，而基于LQR控制則能使車身基本保持平衡?？偟膩碚f選擇不同的控制器，會產生不同的控制效果，也要結合圖像其他因素共同考慮。

04 FOC控制優(yōu)劣

??我想來聊一聊FOC控制對比其他電機控制方式應用于動量輪的優(yōu)劣。FOC最大的優(yōu)勢在于線性度，B站許多采用BLDC控制動量輪的隊伍都遇到過在低速情況下換相不及時導致的抖動，而FOC則完全沒有這一問題，平衡角度控制的穩(wěn)定性要遠勝于BLDC。其次，FOC擁有BLDC所無法企及的超高速換向能力，這一特性可以說是雙刃劍，優(yōu)點是在一些極端情況下，可以使得車模恢復平衡，缺點容易瞬間到達電機最大轉速，產生恢復力的持續(xù)時間有限，參數整定十分困難。

??最后，則是FOC控制的實現難度巨大，今年上半年的幾乎每一個周末，我都是在實驗室度過的，直至省賽前的7月18日，整套系統才完全穩(wěn)定。智能車競賽其實是一個水桶效應，某一方面的突出性能并不能顯著的提升成績，控制、圖像、機械、濾波器等幾乎每一個細節(jié)都會影響小車的運行效果，如果參加智能車競賽是出于追求成績的角度，把大量時間和精力投入在FOC開發(fā)并不值得，更推薦使用逐飛開源的BLDC方案或者研發(fā)有刷直流電機的電流-速度串級控制。但如果以追求挖掘單車組別的極限性能為目標，FOC則是不可缺少的利器。

※ 總??結 ※

??為了展示這款基于TC264單片機的FOC驅動器的性能，我搭建了一個簡易的測試平臺，展現了電流閉環(huán)、速度閉環(huán)兩種控制方式。

??另外，本項目中，第一版本驅動的硬件部分開源，該版本已經過實際打板測試，希望能夠為對FOC控制感興趣的智能車er提供一些幫助。

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