基于ARM的無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

高振天 袁 瑋

（鄭州機(jī)電工程研究所，鄭州 450015）

無刷直流電機(jī)的應(yīng)用已從最初的航空、軍事設(shè)施領(lǐng)域擴(kuò)展到了辦公自動(dòng)化、家用電器、工業(yè)過程控制、精密機(jī)床和汽車電子等工業(yè)和民用領(lǐng)域。有專家認(rèn)為無刷直流電機(jī)將作為信息時(shí)代的主要執(zhí)行部件在各行各業(yè)得到最廣泛的應(yīng)用。尤其近年來國(guó)內(nèi)電動(dòng)車的普及，同時(shí)隨著環(huán)保、節(jié)能的社會(huì)號(hào)召，電動(dòng)汽車也應(yīng)運(yùn)而生，還有大部分家用電器，無不預(yù)示著無刷直流電機(jī)應(yīng)用的飛速發(fā)展。

傳統(tǒng)的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)往往以普通的8位微控制器或性能強(qiáng)大的DSP作為控制核心，前者需要附加多種接口，實(shí)時(shí)性差，指令功能不強(qiáng)，運(yùn)算速度慢，應(yīng)用很受限制；而后者的價(jià)格較高，開發(fā)門檻高，可選擇性差，只適合做一些中高端的應(yīng)用。

基于 ARM 核的微控制器的出現(xiàn)較好地解決了以上問題，ARM處理器資源豐富，具有良好的通用性，其主要特點(diǎn)是高性能、低功耗、低成本。因此，本文基于ARM處理器LM3S2739，以當(dāng)前應(yīng)用廣泛的無刷直流電機(jī)為研究對(duì)象，應(yīng)用閉環(huán)調(diào)速策略，設(shè)計(jì)了一個(gè)全數(shù)字閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。由圖可知，系統(tǒng)主要由電源電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、位置檢測(cè)電路以及檢測(cè)保護(hù)電路等組成。

2 模塊電路設(shè)計(jì)

根據(jù)圖1中的系統(tǒng)組成框圖，下面以模塊電路的形式逐一介紹各個(gè)電路的功能及其實(shí)現(xiàn)。

2.1 電源電路

電源模塊的輸入為 220VAC、50Hz，提供 6路輸出：+15V-ISO、+5V-ISO、+15V、-15V、+5V、+3.3V，其中前兩路與其他各路隔離。開關(guān)芯片采用PI公司生產(chǎn)的TOP260EN，此芯片在開放式模式下，其輸出功率可達(dá)275W，能滿足設(shè)計(jì)要求。

電源電路的設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)在于接地的處理，要特別注意以下幾種地：驅(qū)動(dòng)電源地、控制電源數(shù)字地、控制電源模擬地、電機(jī)三相電源地、設(shè)備外殼地、供電電源中性線等。正確合理的處理以上地電位對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行、人身安全起決定性作用。除此之外，電路板宜采用多層板設(shè)計(jì)，高頻信號(hào)加屏蔽，關(guān)鍵信號(hào)加濾波，成品加屏蔽外殼，以此來達(dá)到整機(jī)的電磁兼容性要求。

2.2 控制電路

控制電路是指調(diào)速系統(tǒng)中的弱電部分，主要包括：主控芯片、存儲(chǔ)器接口、通信接口、LED顯示等電路。

圖1 系統(tǒng)硬件組成框圖

主控芯片采用美國(guó)流明諾瑞(Luminary)公司基于Cortex-M3內(nèi)核的32位ARM芯片LM3S2739作為控制核心芯片，該系列芯片是專為電機(jī)控制應(yīng)用設(shè)計(jì)，豐富的外設(shè)使得外圍電路實(shí)現(xiàn)起來非常簡(jiǎn)單，同時(shí)能有效縮小電路板體積。

為了保存用戶參數(shù)，防止掉電丟失，本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了2K非易失存儲(chǔ)空間，存儲(chǔ)芯片采用24C02，利用LM3S2739的I2C功能模塊，實(shí)現(xiàn)起來非常方便。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩種通訊接口：RS232串行接口和CAN總線接口。RS232接口一般用來實(shí)現(xiàn)上位機(jī)調(diào)試參數(shù)，接口芯片采用SP3232EUCY。 CAN總線可以很容易實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制，接口芯片采用TJA1050。以上接口均采用光電隔離提高抗干擾性。

系統(tǒng)采用1位7段數(shù)碼管顯示狀態(tài)，包括系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、故障狀態(tài)等。數(shù)碼管通過LM3S2739的同步串行接口(SSI)來控制，同時(shí)采用移位存儲(chǔ)器74HC595來進(jìn)行串并擴(kuò)展。

2.3 驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路采用智能功率模塊(IPM)，這種器件將輸入隔離、能耗制動(dòng)、過溫、過壓、過流保護(hù)及故障診斷等功能集成一體。本系統(tǒng)充分利用IPM的強(qiáng)大功能，只需少量的外圍器件便可以很容易地組成功能完善的逆變橋主電路。

功率驅(qū)動(dòng)模塊采用仙童(Fairchild)公司的FSBS10CH60，它是10A、600V的集驅(qū)動(dòng)和保護(hù)于一體的 IGBT模塊，隔離電壓達(dá)到 2500V。帶有溫度傳感器，可方便實(shí)現(xiàn)過熱檢測(cè)。為了實(shí)現(xiàn)弱電信號(hào)控制強(qiáng)電信號(hào)，達(dá)到強(qiáng)弱電隔離，盡可能地保護(hù)電路。微控制器輸出的 PWM信號(hào)需經(jīng)過光隔驅(qū)動(dòng)后，再控制IPM。光電隔離器件采用HCPL4504。

2.4 位置檢測(cè)電路

本系統(tǒng)所選電機(jī)為無刷直流電機(jī)，配有霍爾位置傳感器和編碼器?；魻栁恢脗鞲衅魇羌姌O開路輸出，因此在和微控制器接口時(shí)需要上拉電阻。編碼器是雙極差分信號(hào)輸出，需要增加接收器 26C32和微控制器接口。

2.5 檢測(cè)保護(hù)電路

由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開發(fā)和使用的特殊性，應(yīng)加強(qiáng)安全意識(shí)。①實(shí)驗(yàn)過程的人身安全；②設(shè)備安全，保證實(shí)驗(yàn)過程的正常運(yùn)行。因此，保護(hù)電路必不可少。在本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)過程中，重點(diǎn)設(shè)計(jì)了以下檢測(cè)保護(hù)電路。

1）相電流檢測(cè)。精確的電流采樣，是電機(jī)良好運(yùn)轉(zhuǎn)的必要條件。本系統(tǒng)采用LEM公司生產(chǎn)的電流傳感器HX-15P進(jìn)行電流采樣。電流傳感器的原邊串入電機(jī)三相動(dòng)力線，副邊即輸出成比例的電壓信號(hào)。該信號(hào)為具有正負(fù)極性的雙邊信號(hào)，無法直接接入微控制器的AD輸入通道，因此，需要對(duì)該信號(hào)進(jìn)行整流，可以采用運(yùn)放構(gòu)成精密全波整流電路，不過要注意運(yùn)放的帶寬，以便滿足AD采樣的需要。

2）過壓、欠壓檢測(cè)電路。通過在母線電壓之間串接分壓電阻進(jìn)行電壓采樣，電路的核心是雙比較器LM393，其構(gòu)成窗口比較器，母線電壓超出窗口閾值，表明母線電壓異常，輸出信號(hào)通過光隔后，輸入微控制器接口，從而控制 PWM輸出，保護(hù)功率驅(qū)動(dòng)電路的安全。

3）過流故障檢測(cè)。主要依靠IPM芯片的故障輸出功能，F(xiàn)SBS10CH60芯片具有一個(gè)故障輸出引腳FO，當(dāng)芯片內(nèi)部出現(xiàn)過流等綜合故障，此引腳會(huì)輸出脈沖信號(hào)。將此脈沖信號(hào)通過光隔后，輸入微控制器PWM模塊的故障(Fault)引腳，強(qiáng)制PWM進(jìn)入無效狀態(tài)。

4）過熱故障檢測(cè)。同樣是利用 IPM 芯片的集成溫度傳感器功能，IPM芯片內(nèi)部帶有一個(gè)熱敏電阻，作為溫度傳感器使用。通過熱敏電阻采樣的溫度電壓信號(hào)經(jīng)過運(yùn)放 OP07構(gòu)成的電壓跟隨器后，再經(jīng)過比較器和設(shè)定的溫度值做比較，輸出信號(hào)通過光隔后，輸入微控制器接口，從而保證電路安全。

3 驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)基于無刷直流電機(jī)的包括速度調(diào)節(jié)環(huán)和電流調(diào)節(jié)環(huán)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。閉環(huán)調(diào)節(jié)算法采用常用的PI控制算法。

首先通過編碼器和霍爾位置傳感器的輸出來確定轉(zhuǎn)子的位置和換向信號(hào)。同時(shí)，計(jì)算得到電動(dòng)機(jī)的當(dāng)前速度，然后與速度參考值進(jìn)行比較，得到速度誤差信號(hào)，經(jīng)速度調(diào)節(jié)器后，得到相應(yīng)的電流參考信號(hào)，該電流參考信號(hào)與電流傳感器采樣的實(shí)際電動(dòng)機(jī)相電流信號(hào)進(jìn)行比較，電流誤差信號(hào)經(jīng)電流調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后，得到 PWM的占空比，產(chǎn)生適當(dāng)?shù)腜WM信號(hào)，施加到電動(dòng)機(jī)的功率電子開關(guān)電路上，通過控制功率管的開通關(guān)斷順序和時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直流無刷電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩的控制。

根據(jù)控制系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能，結(jié)合模塊化的軟件設(shè)計(jì)思想，可將系統(tǒng)軟件分為3大部分：主程序模塊、系統(tǒng)初始化模塊、系統(tǒng)控制模塊。主程序模塊主要包括系統(tǒng)時(shí)鐘配置、外設(shè)接口配置、中斷配置以及調(diào)用系統(tǒng)初始化模塊和系統(tǒng)控制模塊等。系統(tǒng)初始化模塊主要完成HALL接口、QEI接口、PWM模塊、ADC采集模塊、系統(tǒng)定時(shí)模塊、顯示輸出模塊、CAN總線模塊、UART模塊、看門狗等相關(guān)模塊的初始化功能。系統(tǒng)控制模塊功能包括各中斷服務(wù)子程序，主要負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)控制任務(wù)，包括命令的接收與處理、參數(shù)綜合、全局協(xié)調(diào)以及狀態(tài)顯示等。

本系統(tǒng)大部分的功能依耐于中斷的執(zhí)行，因此正確配置中斷是程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。程序的編程語(yǔ)言采用C語(yǔ)言，靈活易用，可移植性強(qiáng)。開發(fā)環(huán)境采用IAR Embedded Workbench for ARM V5.50，編譯效率高，使用方便。主程序流程圖如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

4 系統(tǒng)應(yīng)用

城市軌道交通站臺(tái)屏蔽門系統(tǒng)作為國(guó)家大力發(fā)展的新型軌道交通設(shè)備，市場(chǎng)前景十分廣闊。門機(jī)系統(tǒng)是屏蔽門系統(tǒng)的核心，其關(guān)鍵技術(shù)是電機(jī)控制，也就是伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)?；诒疚乃O(shè)計(jì)的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，目前已實(shí)現(xiàn)屏蔽門門機(jī)控制系統(tǒng)的原理樣機(jī)，滿足屏蔽門系統(tǒng)的速度環(huán)控制要求，完成功能性試驗(yàn)，經(jīng)改進(jìn)優(yōu)化后，該項(xiàng)目已經(jīng)進(jìn)入初樣機(jī)研制階段。

5 結(jié)論

近年來，ARM的強(qiáng)勢(shì)推出，成本不斷降低，諸多伺服設(shè)計(jì)廠家已經(jīng)轉(zhuǎn)向 ARM 方案，可以說基于ARM的芯片已經(jīng)引領(lǐng)了MCU應(yīng)用的新潮流。同時(shí)，基于ARM核的芯片具有32位的內(nèi)核，資源豐富，性能優(yōu)越，為高速采樣提供了運(yùn)算速度的保證, 從而可在較大的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度控制。該調(diào)速系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、可擴(kuò)展性強(qiáng)、性價(jià)比高等特點(diǎn)，可應(yīng)用于自動(dòng)門、電動(dòng)自行車等領(lǐng)域，有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。