1. 硬件FOC
图 1 为采用 FOC 的方式控制 BLDC 电机的过程，经由 FOC 变换( Clark 与 Park 变换) ，将三相电流转换为空间平 行电流 ID 与空间垂直电流 IQ。经过 FOC 逆变化逆( Clark 变换与逆 Park 变换) ，将两相电流转换为三相电流用于控 制电机; 由于在 Park 变换与逆 Park 变换时需要旋转坐标与 静止坐标轴的夹角，这里的编码器信号需要同时进入 FOC 变换与 FOC 逆变换中。
硬件 FOC 芯片 TMC4671 是一个完全集成的控制器，包 含了完整的控制回路架构( 位置闭环、速度闭环、转矩闭 环) 、用于通信所需的外围接口、用于反馈( 电流、电压测量、 编码器、霍尔传感器) 的信号接口，以及一些有用的附加引 脚。作为模块化的硬件，能够负责所有关键的实时任务，将 实时的矢量控制、实时的子任务( 电流测量、位置传感器信 号处理、脉宽调制( pulse width modulation，PWM) 信号生成 与用户的应用分离出来，简化的目标任务。 TMC4671 内部由应用程序接口、寄存器库、ADC 通道、 编码器通道、FOC 转矩 PI 控制器、速度 PI 控制器、位置 P 控 制器以及 PWM 输出通道组成，其中 ADC 采集通道将原始 的 ADC 数据通过缩放映射到内部的电流控制环路，内部 FOC 转矩 PI 控制器所需的所有转换( Clark 变换、Park 变 换、逆 Clark 变换、逆 Park 变换) ，都是由纯硬件搭建。相比 于软件构成的控制系统，运算速度得到了极大的提高，使得 它可以支持最高的控制环路速度和 PWM 频率。 TMC4671 作为 SOC( 片上系统) ，大大减少了所需组件 的数量，更重要的是，它减少了 PCB 空间。与传统的电机伺 服控制( 由电机的线缆与编码器和单独的控制盒连接) 相 比，硬件矢量控制芯片高度集成，尺寸紧凑、性能高，使其能 够轻松实现电机的嵌入式控制。
2. 驱动电路设计
2.1 整体设计
采用 TMC4671 芯片为核心，所设计的直流无刷电机驱 动器结构如图 2 所示。其中，单片机、硬件 FOC 芯片与电流 传感器均采用 3． 3 V 供电，编码器使用 5 V 供电，MOSFET 驱动电路部分的供电与 MOSFET 场效应管的选择决定了驱 动电机的功率，根据应用条件不同，电压范围在 12 ～ 60 V。
单片机通过 SPI 通信的方式访问 TMC4671 芯片中的寄 存器，进行初始化编码器方向，以及设置电机极对数、PI 控 制器参数、电机运动模式等一系列参数，并配合编码器以及电流传感器进行参数的初始化，确保采集的电流信号能够 通过正确的缩放因子进入 FOC 控制回路中，使得电机能以 正确的方式进行运动。 所设计的驱动器围绕 TMC4671 进行外围电路设计，确 保芯片正常运行以及反馈信号、通信信号的采集与传输，最 终控制信号通过 MOSFET 电路对电机进行控制。
2.2 相电流采集电路
对于三相无刷电机而言，需要测量其两相电流，通过基 尔霍夫定律即可算出另一相的电流。测量相电流主要有两 种方法。一种是采用电阻与差分放大器测量的方式，放大 器如 LT1999 或 AD8418A; 另一种方式是采用电流传感器进 行测量，电流传感器使用霍尔效应或其他磁效应实现电流 的测量，如 ASC711，CSNE151 ［10］。放大器测量的成本成本 相对较低，而采用电流传感器的方式，可以在较高的电压环 境下进行测量。
2.3 编码器采样电路
目前市面上的 ABN 编码器通常都是差分信号输入的 编码器，即输出信号为 A + ，A － ，B + ，B － ，Z + ，Z － ，其中 A 信 号与 B 信号为脉冲输出信号，两个信号相差 90°的相位差， 根据 A 信号超前于 B 信号还是滞后于 B 信号判断旋转方 向，Z 信号为 0 位信号，当电机旋转一圈后输出一个脉冲， 采用差分信号的方式具有良好的抗干扰性，能够传输较远 距离［11］，在 ABZ 三相信号进入硬件 FOC 需要通过将差分 信号转换为单端信号，例如使用 AD8130 或 ISL32173。 编码器的参考工作电压通常为 5 V，而硬件 FOC 工作 在 3． 3 V 电压下。需要对硬件 FOC 输入引脚进行保护，图 3 为编码器信号采样电路。
原始信号通过分压电阻，并通过一个低通滤波器进行 滤波，在信号进入硬件 FOC 中前，使用二极管进行过压与 欠压保护，低通滤波器的截至频率为
2.4 MOSFET 驱动电路
三相无刷直流电机的 MOSFET 驱动电路通常采用三个 半桥驱动电路实现，每个半桥电路连接电机的一个相线，该 电路可靠性高、外围元件少，驱动能力强。图 4 为一相的半 桥驱动电路，为确保运行可靠，在靠近电源 VM 处放置滤波 电容，以防止超调与振铃，在 MOSFET 栅极增加了一个电阻 Ｒg，确保驱动信号的干净与可靠，在 PCB 的布局上，调整桥 的布局变得紧凑，以获得最小的环路电感。
2.5 实际电路
TMC4671 的高度集成化，配合其他集成化芯片，能够做 到尺寸足够小的伺服驱动控制电路板，采用集成芯片所设 计的驱动控制电路板，在印刷电路板( PCB) 两面分布元器 件，图 5 为所设计的电路板与橡皮擦的尺寸比较图。
3. 试验验证
使用所设计的驱动器应用于杰美康的 42JSF630AS— 1000 型号直流无刷伺服电机，设定目标转矩为 0． 5 N × M， 为验证其控制效果，在电机正常运行一段时间后施加一个 外部干扰，图 6 为电机运行过程中的实际转矩及速度的变 化波形。
由图 6 可以看出: 电机在正常运行过程中转速及转矩 波动小，运转平稳，在施加外部干扰后能够迅速进行调整， 回到设定目标值附近。