基于ARM的全數(shù)字雙閉環(huán)無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 明，周文超，陳 瑞，閆冠宇

（河南中美鋁業(yè)有限公司 河南 鄭州 452477）

傳統(tǒng)的直流電機(jī)具有運(yùn)行效率高、調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)因而在工業(yè)傳動(dòng)中占據(jù)著重要的地位，但其本身固有的機(jī)械換相器和電刷導(dǎo)致了電機(jī)容量有限、噪音大、容易產(chǎn)生火花和可靠性差等缺點(diǎn)[1-2]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，無刷直流電動(dòng)機(jī)用位置傳感器和電子換相器取代了有刷直流電動(dòng)機(jī)的電刷和機(jī)械換向器，同時(shí)很好的保持了傳統(tǒng)直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)且具有比有刷直流電機(jī)更高的運(yùn)行效率。因此直流無刷電機(jī)一經(jīng)產(chǎn)生就在工業(yè)生產(chǎn)中取得了廣泛的應(yīng)用，尤其在節(jié)能減排已成為時(shí)代主題的今天，無刷直流電機(jī)高效率的特點(diǎn)更顯示了其巨大的應(yīng)用價(jià)值。

1 全數(shù)字雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)簡介

在穩(wěn)態(tài)的情況下，直流電動(dòng)機(jī)僅僅采用單閉環(huán)轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)就可以在保證直流調(diào)速非常系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速沒有靜差，即輸出完全跟隨輸入。但在快速起制動(dòng)、抗干擾能力強(qiáng)等控制系統(tǒng)對動(dòng)態(tài)性能要求較高時(shí)，因電動(dòng)機(jī)在單閉環(huán)系統(tǒng)中電流和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)過程不能得到及時(shí)有效的控制，因而需在控制系統(tǒng)中設(shè)置一個(gè)電流調(diào)節(jié)環(huán)用于調(diào)節(jié)電流。所以控制系統(tǒng)中有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)、電流調(diào)節(jié)環(huán)兩個(gè)調(diào)節(jié)環(huán)，且這兩個(gè)調(diào)節(jié)環(huán)之間實(shí)行嵌套連接。圖1及圖2分別為模擬控制[1]與全數(shù)字控制下雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖和雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

2 控制系統(tǒng)整體構(gòu)成

全數(shù)字雙閉環(huán)無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)[2]主要由ARM嵌入式處理器、LCD觸摸屏、光電耦合電路、驅(qū)動(dòng)電路、逆變電路、電流檢測電路、直流無刷電機(jī)位置信號檢測環(huán)節(jié)以及控制電路組成。

本設(shè)計(jì)中的ARM處理器為其內(nèi)核為Atmel公司的ARM9系列32位CPU AT91SAM9261S，它采用5級整數(shù)流水線，主頻最高可達(dá) 300MIPS，支持 Windows CE、Linux、Palm OS等多種主流嵌入式操作系統(tǒng)，在工業(yè)控制、檢測設(shè)備和儀器儀表等需要高速數(shù)字信號處理的場合運(yùn)用非常廣泛。

圖2 全數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of fully digital control double-loop DC speed control system

無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)整體框圖如圖3所示。當(dāng)系統(tǒng)處在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，通過電阻給定轉(zhuǎn)速信號，并經(jīng)觸摸屏[3]實(shí)時(shí)顯示及P、I參數(shù)設(shè)定，發(fā)出運(yùn)行指令（如起動(dòng)、正轉(zhuǎn)、制動(dòng)）。根據(jù)霍爾傳感器檢測到的電機(jī)位置信號控制換相，并計(jì)算電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來改變控制器的輸出信號，從而調(diào)整電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。電流檢測環(huán)節(jié)主要是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制和過流保護(hù)，從外部檢測到的電流信號經(jīng)過采樣后，經(jīng)放大、濾波送到A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，控制單元根據(jù)檢測到的電流大小來調(diào)整電流調(diào)節(jié)器的輸出。當(dāng)出現(xiàn)過流故障時(shí)，電流檢測電路會發(fā)出故障指示信號，送入ARM處理器進(jìn)行處理。

圖3 無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)整體框圖Fig.3 Overall block diagram of a brushless DC motor control system

3 硬件各模塊設(shè)計(jì)

3.1 光耦隔離電路

控制信號一般為10～20 kHz左右的PWM波,為了減少電磁干擾對ARM處理器的影響，需采用高速光耦進(jìn)行隔離、整形和電平轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)采用6N137光耦，開關(guān)時(shí)間最大75 ns,光耦隔離電路如圖4所示。

3.2 逆變電路

圖4 光耦隔離電路Fig.4 Optocoupler isolation circuit

功率逆變電路[4]采用三相星形全橋逆變電路，如圖5所示。由6只IRF530N MOSFET構(gòu)成三相逆變橋，其中每只MOSFET功率管兩端反并聯(lián)一只二極管，用于續(xù)流和緩沖。低側(cè)三只MOSFET管并聯(lián)后串接一個(gè)小電阻Rs用作電流采樣。

圖5 逆變電路Fig.5 Inverter circuit

3.3 位置及速度檢測

本設(shè)計(jì)中直流無刷電機(jī)位置信號的檢測采用霍爾位置傳感器，即無刷直流電動(dòng)機(jī)自帶的位置傳感器，其輸出側(cè)通常采用漏極開路，所以必須在它的輸出上接上相應(yīng)的上拉電阻。

根據(jù)式1計(jì)算出兩次換相間隔期間的平均角速度，然后在軟件程序中換算成r/min，或直接根據(jù)△t計(jì)算出多少r/min。

△t一般較小，可以通過采樣對PWM波計(jì)數(shù)的方式來確定△t。

3.4 電流檢測與保護(hù)電路

電流檢測與保護(hù)電路[5]如圖6所示。IR2130帶有電流電流放大器和過流輸入保護(hù)環(huán)節(jié)，可以對電流采集信號進(jìn)行放大。當(dāng)過電流發(fā)生時(shí)，送到過電流檢測引腳的電壓高于0.5 V，此時(shí)IR2130內(nèi)部的過電流比較器迅速翻轉(zhuǎn)，邏輯故障處理單元輸出低電平，六路輸入信號被鎖存管腳輸出故障指示，故障時(shí)輸出為低電平，六路輸出驅(qū)動(dòng)信號全為低電平，功率管進(jìn)入全關(guān)斷狀態(tài)，使器件得到保護(hù)。欠壓保護(hù)的工作過程與過流保護(hù)的工作過程類似。

圖6 電流檢測與保護(hù)電路Fig.6 Current detection and protection circuit

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

電機(jī)換相控制程序[6]有2種設(shè)計(jì)方法，電機(jī)轉(zhuǎn)速不高和電機(jī)轉(zhuǎn)速較高。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速不高時(shí)，換相周期較長，PWM周期遠(yuǎn)高于電機(jī)換相周期，這樣可在每一個(gè)PWM周期對霍爾信號輸入進(jìn)行查詢，判斷是否需要換相，并設(shè)定一個(gè)計(jì)數(shù)器記錄兩次換相期間的PWM周期數(shù)用于計(jì)算轉(zhuǎn)速。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，兩次換相期間相隔PWM周期數(shù)不多，查詢換相的方法會導(dǎo)致?lián)Q相不及時(shí)且影響轉(zhuǎn)速計(jì)算精度，需通過中斷的方法進(jìn)行換相，在需要速度調(diào)節(jié)時(shí)直接通過中斷接口函數(shù)讀取速度值。在應(yīng)用程序中加入中斷響應(yīng)事件消息響應(yīng)函數(shù)，若中斷發(fā)生，則進(jìn)入中斷子程序并設(shè)置相應(yīng)故障參數(shù)?？刂葡到y(tǒng)主程序流程圖如圖7所示。

5 結(jié)束語

無刷直流電動(dòng)機(jī)用位置傳感器和電子換相器取代了電刷和機(jī)械換向器，有效降低了噪音，避免了火花的產(chǎn)生，提高了控制系統(tǒng)可靠性。本設(shè)計(jì)對全數(shù)字雙閉環(huán)無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)的軟、硬件都做了詳細(xì)介紹，以ARM為主處理器使得整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率更高、性能更穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)室模擬結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較好的控制可靠性、良好的動(dòng)態(tài)性能及系統(tǒng)穩(wěn)定性。

[1]陳小永．直流無刷電機(jī)控制技術(shù)研發(fā)[D].山東：中國石油大學(xué)（華東），2008．

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[4]董昭．無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)研究[D].西安:西安理工大學(xué),2007.

[5]戰(zhàn)崇玉，徐直.無刷直流電動(dòng)機(jī)控制器的設(shè)計(jì)與研究[J]．煤礦機(jī)械，2013(11)：80-83.ZHAN Chong-yu,XU Zhi.Design and research of brushless DC motor controller[J].Mining Machinery,2013(11):80-83.

[6]汪兵，李存斌，陳鵬，等．EVC高級編程及其應(yīng)用開發(fā)[M].北京：中國水利水電出版社，2005.