tmc4671控制方案分享 TMC4671+TMC6200設(shè)計正壓睡眠呼吸機(jī)

TMC4671是完全集成的伺服控制器，為BLDC/PMSM提供磁場定向控制和兩相步進(jìn)電機(jī)以及DC電機(jī)和音圈。所有控制功能都是硬件implemented。集成ADC、位置傳感器接口、位置插值器、使能全功能伺服控制器，適用于各種伺服應(yīng)用。

TMC4671具有高達(dá)100kHz的開關(guān)頻率和控制器更新速率，并具有濾波和插值功能，如數(shù)字霍爾信號插值，以實現(xiàn)更順暢的操作。該集成電路可以與各類編碼器協(xié)同工作：從A/B/Z增量式簡單的數(shù)字或模擬霍爾傳感器到高分辨率正弦/余弦模擬編碼器。傳感器可靈活地映射為位置和速度控制回路的輸入。憑借其delta-sigma電流檢測ADC，TMC4671非常適合用于隔離式delta-sigma前端。

TMC4671可以幫助快速縮短高性能伺服控制器的上市時間，同時最大限度提高驅(qū)動效率和動態(tài)性能。通過硬件中的所有時間關(guān)鍵計算，開發(fā)動態(tài)伺服控制器僅需要幾行代碼。

此外，Trinamic還推出了開源TMC4671 + TMC6100-BOB。該開發(fā)板具有專用的TMC4671-LA伺服控制器IC和通用高壓柵極驅(qū)動器TMC6100。為應(yīng)用程序的快速成型而設(shè)計，可允許工程師在調(diào)整應(yīng)用程序時立即檢查Trinamic芯片的電機(jī)性能。

TMC4671+TMC6100方案支持大功率的電機(jī)運動控制，具有更精密、精確、高效的解決方法。其中TMC4671是帶FOC的算法芯片，具有轉(zhuǎn)矩控制 （FOC）、速度控制和位置控制；而TMC6100是三相BLDC預(yù)驅(qū)芯片。

下面我們分享一個Excelpoint世健邀請的行業(yè)資深工程師沈工的實戰(zhàn)設(shè)計經(jīng)驗。沈工及團(tuán)隊設(shè)計的正壓睡眠呼吸機(jī)硬件方案由電機(jī)控制系統(tǒng)、壓力/流量測量系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、加熱/加濕系統(tǒng)和人機(jī)界面等組成。

tmc4671控制方案--- 基于TMC4671+TMC6200設(shè)計的正壓睡眠呼吸機(jī)

多數(shù)使用正壓睡眠呼吸機(jī)的患者是在睡眠期間使用該設(shè)備，所以呼吸機(jī)的通氣舒適度及靜音性能是其重要指標(biāo)。另外，睡眠呼吸機(jī)的功能之一是在系統(tǒng)發(fā)生異常時，能及時發(fā)現(xiàn)并立即采取適合的保護(hù)措施，其核心要點即是呼吸機(jī)風(fēng)機(jī)的控制。

這款正壓睡眠呼吸機(jī)硬件設(shè)計方案有三個重要特征。第一涵蓋極高動態(tài)的電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍：雙水平模式下，電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍會在10000rpm以內(nèi)及25000rpm以上快速切換，轉(zhuǎn)速切換時間可低于0.5秒。第二可維持盡可能小的噪聲。呼吸機(jī)壓力為10cm水柱時，一般要求低于30dB，高端的產(chǎn)品可以做到23dB及以下。第三具有靈活方便的系統(tǒng)診斷，保護(hù)機(jī)制：以方便的結(jié)合驅(qū)動器信息及相關(guān)傳感器定位相關(guān)異常事件，包括呼吸面罩脫落、呼吸管路漏氣、風(fēng)機(jī)堵轉(zhuǎn)等等。

家用正壓睡眠呼吸機(jī)要求小巧的體積及極小的運行噪聲，因此電機(jī)控制需要采用FOC算法，根據(jù)負(fù)載（系統(tǒng)壓力和流量狀況），控制風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運行，減小轉(zhuǎn)矩脈動，從而大大減少電機(jī)自身的運行噪聲。通常工程師在產(chǎn)品開發(fā)中，會選擇直接購買風(fēng)機(jī)配套的驅(qū)動板，這樣成本相對比較高，而且接口控制不夠靈活。 沈工的方案則能以較低的成本達(dá)到更好的性能及靈活度。

1. 呼吸機(jī)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)

表1 呼吸機(jī)風(fēng)機(jī)參數(shù)

圖1 所用醫(yī)用級風(fēng)機(jī)實物圖

在TMC4671和呼吸機(jī)風(fēng)機(jī)參數(shù)的基礎(chǔ)上，沈工及團(tuán)隊開發(fā)了風(fēng)機(jī)驅(qū)動板，電機(jī)控制部分簡要框圖如下：

圖2 電機(jī)控制部分簡要框圖

電機(jī)控制核心FOC算法及控制由ADI Trinamic 的TMC4671完成，功率驅(qū)動部分及電流采樣使用ADI Trinamic 的TMC6200完成。TMC4671極大簡化了電機(jī)控制部分的算法，解放了MCU的算力，使用戶可以專注于系統(tǒng)應(yīng)用級的設(shè)計，如更適于患者的壓力流量曲線等。

壓力值通過壓力傳感器反饋，經(jīng)由MCU進(jìn)行PI運算后，其輸出作為TMC4671的速度給定信號，TMC4671輸出風(fēng)機(jī)控制SVPWM信號給TMC6200，TMC6200作為MOS管門級驅(qū)動，控制三相H橋以驅(qū)動電機(jī)運行，使呼吸機(jī)壓力保持在需要的值或按給定的曲線變化。

2. 核心器件介紹

表2 系統(tǒng)核心器件

TMC4671是一款A(yù)DI Trinamic于2020年發(fā)布的全球首個具有針對BLDC/PMSM和兩相步進(jìn)電動機(jī)以及直流電動機(jī)和音圈的磁場定向控制的全集成伺服控制器IC、集成ADC、位置傳感器接口（增量式編碼器，HALL信號等）和位置插值器的完整組件。

圖3 TMC4671結(jié)構(gòu)框圖

芯片采用級聯(lián)的閉環(huán)控制架構(gòu)（位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)），如下圖所示。

圖4 TMC4671控制環(huán)框圖

轉(zhuǎn)矩環(huán)核心的FOC算法，將FOC算法包含的Park，反Park變化等時間關(guān)鍵性的計算都集成在硬件中。因此開發(fā)動態(tài)伺服控制器只需幾行代碼，這不僅減輕了處理器處理實時關(guān)鍵任務(wù)的負(fù)擔(dān)，還優(yōu)化了設(shè)計周期，縮短了上市時間。

圖5 TMC4671內(nèi)部FOC算法框圖

表3 TMC4671核心功能

TMC6200是一個大功率門驅(qū)動器，專為永磁同步電機(jī)伺服或無刷直流電機(jī)設(shè)計，可以驅(qū)動從幾瓦特到幾千瓦的電機(jī)；集成了FOC驅(qū)動系統(tǒng)的全高電壓部分，適用于12V、24V或48V系統(tǒng)。使用TMC6200，可以最少數(shù)量的外部組件來構(gòu)建具有完全保護(hù)和保護(hù)功能的堅固驅(qū)動器診斷。

TMC6200除驅(qū)動三相H橋外，還完成電流信號的采集及轉(zhuǎn)換，其內(nèi)置運放及PGA，適合不同功率的電機(jī)。采樣相電流，非常適用于TMC4671中實現(xiàn)的Δ-Σ電流測量，可實現(xiàn)對電流的低噪聲采樣，提高系統(tǒng)的控制精度。另外TMC6200提供了完善的功率級診斷功能，方便系統(tǒng)的故障處理。

圖6 TMC4671+TMC6200系統(tǒng)架構(gòu)框圖

圖7 TMC6200框圖

表4 TMC6200告警及保護(hù)功能概覽

3. 系統(tǒng)連接和測試

TMC4671及TMC6200均采用SPI與MCU通信，官方的IDE可方便對外圍連接進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定結(jié)束后，用戶只需通過SPI進(jìn)行相關(guān)配置即可對電機(jī)進(jìn)行控制，十分方便高效。

下圖是TMC4671及TMC6200相關(guān)原理圖。

圖8 TMC4671及TMC6200相關(guān)原理圖

圖9 TMC4671及TMC6200相關(guān)原理圖

圖10 TMC4671及TMC6200相關(guān)原理圖

4. 技術(shù)難點PI 調(diào)節(jié)

TMC4671對電機(jī)控制參數(shù)的調(diào)整也十分便捷，通過官方的IDE可以方便的設(shè)置系統(tǒng)的PI控制參數(shù)，官方原裝的RTMI調(diào)試器由于接口問題關(guān)系，連接自己的目標(biāo)板不夠靈活。沈工及團(tuán)隊設(shè)計了一個相同功能的模塊，同時實現(xiàn)了調(diào)試信號的電氣隔離，另外加上了電源及信號傳輸指示燈，接口也改成了2.54mm，也可擴(kuò)展為2.0mm或1.27mm，可十分方便的轉(zhuǎn)接到目標(biāo)板。

圖11 帶隔離及信號指示的TMC4671調(diào)試器

圖12 HALL 識別

圖13 電機(jī)參數(shù)識別

圖14 PI參數(shù)調(diào)整

圖15 轉(zhuǎn)速與電流關(guān)系

圖16 使用內(nèi)置雙四階濾波器優(yōu)化性能

正壓睡眠呼吸機(jī)硬件設(shè)計方案使用TMC4671+TMC6200的組合，大大降低了高性能電機(jī)驅(qū)動器設(shè)計的門檻，使用戶可以非?？焖俚卮罱ㄏ嚓P(guān)的高性能電機(jī)應(yīng)用，無需編寫復(fù)雜費時的底層驅(qū)動，節(jié)省了了大量的調(diào)試時間；相關(guān)診斷功能使工程師在調(diào)試初期可快速定位系統(tǒng)故障；配合TMC IDE，用戶可以方便地進(jìn)行系統(tǒng)辨識和控制參數(shù)優(yōu)化，加速產(chǎn)品設(shè)計定型；用戶可專注于產(chǎn)品本身的設(shè)計優(yōu)化，這是未來電機(jī)控制應(yīng)用的方向。Excelpoint世健提供相關(guān)技術(shù)指導(dǎo)和支持，能幫助用戶更好地進(jìn)行設(shè)計，盡快讓產(chǎn)品上市。