一種基于ARM的無刷電機控制器設計

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(北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京 100191)

一種基于ARM的無刷電機控制器設計

蔣哲，李大寨

(北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京 100191)

0 引言

無刷直流電機(BLDCM)是隨著電子技術的迅速發(fā)展而發(fā)展起來的一種新型直流電機，廣泛應用于航空航天、電子設備、采礦和化工等行業(yè)[1]?；贒SP的驅動器控制精度高，但價格高昂；基于單片機的控制器控制精度一般很低。ARM芯片的時鐘頻率和控制精度可以和普通級別DSP相媲美，而且專門集成了針對電機控制的多種外圍，價格低廉，非常適合電機控制，可以有效降低控制器體積和成本。功率MOSFET體積小，開關速度快，需要的驅動功率極低，非常適合大電流電路的頻繁開閉動作。因此,適合大電流無刷電機的PWM控制。

1 系統(tǒng)組成原理

BLCDM控制器由控制板和驅動板組成?？刂瓢逋ㄟ^USART和CAN總線接口可以與上位機通信，控制板負責采集BLCDM的Hall傳感器傳來的電機換向信號并通過控制算法的計算之后輸出相應的PWM信號給功率板，采集編碼器傳回來的位置信號用于實現位置閉環(huán)控制，采集電流信號及溫度信號，實現過電流保護和過熱保護。功率板接收控制板發(fā)出的PWM控制信號，通過控制母線電源的通斷時序來控制電機的運轉,如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成原理

2 控制板硬件電路設計

主控芯片選用ST(意法半導體)公司的STM32系列ARM芯片，該系列芯片采用Cortex-M3內核，采用8MHz外部晶振，通過鎖相環(huán)倍頻后時鐘頻率最高可達到72MHz，其片上集成了USB,USART,SPI,I2C和ADC等豐富的外設資源，其增強型系列內嵌了非常適合三相無刷電機控制的高級定時器和ADC，完全滿足控制器的設計要求[2]。

為提高性能，實現位置閉環(huán)和電流閉環(huán)控制，選用2片ARM芯片作為處理器，ARM1處理器負責采集功率板的母線電流信號，通過設定的算法計算后實現電流閉環(huán)，采集Hall傳感器信號，通過換向邏輯的計算后產生不同占空比的PWM信號并傳送給功率板。ARM2處理器負責采集電機軸的位置信號，通過設定的算法計算后實現位置閉環(huán)。設計了2種位置信號(電位計和編碼器)的采集電路，以適應不同的應用需求，如圖2所示。

圖2 控制板內部結構

2.1 位置信號檢測

針對較為常用的位置信號檢測傳感器(編碼器和電位計)，控制板上同時設計了2種接口電路。電位計輸出的是模擬量信號，通過一個二階有源濾波電路進行信號調理后輸入到ARM2進行A/D轉換處理。編碼器選用增量式編碼器，編碼器輸出信號高電平為5V，STM32的I/O引腳雖然能夠承受5V的高電平，但為了長期運行安全穩(wěn)定和隔離干擾，要通過隔離芯片進行電平轉換和信號隔離后接入ARM2的編碼器接口，如圖2所示。

2.2 換向信號檢測

采用Hall傳感器檢測電機的換向信號，增強型的STM32系列芯片內針對電機控制內置了專門的Hall傳感器輸入接口，通過隔離芯片進行電平轉換和信號隔離后直接接入處理器。采用PWM_ON的控制產生不同占空比的PWM信號輸出給功率板。

2.3 保護電路

電流傳感器選用ACS756，電流檢測范圍為±50A，靈敏度為40mV/A。電流傳感器檢測功率板母線的電流信號，通過濾波電路信號調理后輸入ARM1進行A/D轉換處理，如圖 3所示。如果電流值超過40A，則觸發(fā)并進入中斷程序，電流錯誤標志位flag_I置1。溫度傳感器安裝在功率板上，溫度測量范圍為-55～125℃，通過I2C總線與ARM2進行通信，實時監(jiān)測功率板的溫度，當溫度超過80℃時，同樣觸發(fā)并進入中斷程序,溫度錯誤標志位flag_T置1。一旦錯誤標志位置1，則控制板立即停止PWM信號輸出，同時報警信號燈閃爍并通過CAN總線接口發(fā)送錯誤信號至上位機。

圖3 電流信號調理電路

3 功率板的硬件電路設計

功率板分為隔離模塊、驅動模塊、MOSFET功率橋模塊和傳感器保護模塊4個部分,如圖4所示。電機轉動時會在功率板上產生很強的電磁干擾，這樣會帶來嚴重的安全隱患。因此,必須采用可靠的電磁隔離芯片進行隔離[3]。選用ADUM1200，芯片采用iCoupler磁耦隔離專利技術，在體積、功耗和性能方面均優(yōu)于傳統(tǒng)的光電隔離芯片。驅動芯片選用IR公司的IR2130，只須一個供電電源就可以驅動MOSFET三相橋的6個功率器件，電路簡單可靠，自動產生三相橋驅動所需要的死區(qū)時間(2μs)[4]。三相橋晶體管選用IXYS公司的MOSFET晶體管，擊穿電壓VDSS=75V，25℃時連續(xù)電流Id=125A。

圖4 功率板內部結構

4 控制策略

傳統(tǒng)的PID控制策略的缺點在于在電機負載大范圍變化時，其動態(tài)控制特性不好[5]，故系統(tǒng)采用改進型的模糊自適應整定PID控制策略，該控制策略將模糊控制與傳統(tǒng)PID控制相結合。速度閉環(huán)的控制結構圖如圖 5所示。在實際調試過程中，由于該無刷電機控制器要應用在工業(yè)現場中，干擾噪聲非常嚴重，而PID控制器的微分控制器對信號的噪聲非常敏感，甚至會使已經進入穩(wěn)態(tài)的系統(tǒng)產生震蕩，影響系統(tǒng)穩(wěn)定，所以采用了模糊控制與PI控制相結合的控制策略。

圖5 模糊自適應PID速度閉環(huán)結構

5 實驗結果及分析

實驗用電機選用的是Maxon公司的無刷直流電機，控制電機逆時針旋轉，控制方式采用PWM_ON模式，用示波器實際檢測到的經過功率模塊隔離后的第3只MOSFET管(VT3)及第4只MOSFET管(VT4)的PWM信號如圖6所示。

圖6 示波器檢測的PWM波形

實驗測試時，電機空載啟動，設定轉速2500r/min，將采集到的速度信息通過CAN總線回傳到上位機，用Matlab擬合后得到的曲線圖如圖7所示。分析可知，35ms以后，電機運行速度基本達到設定值，且超調量很小，速度波動很小，電機運行平穩(wěn)，獲得了較好的啟動和運行性能。

圖7 電機空載時的速度響應曲線

6 結束語

基于STM32微處理器和功率MOSFET管設計了適用于較大電流無刷直流電機的控制器，控制器采用控制板和驅動板分開設計的思路，有效地降低了干擾和縮小了體積，硬件電路經過實驗得到了驗證。留有常用通信接口，便于實現聯(lián)網控制和與上位機之間的信號交互。同時探討了無刷電機速度閉環(huán)的模糊PID控制策略，獲得了較好的空載啟動性能，滿足了設計要求。

[1] 劉剛,王志強,房建成.無刷直流電機控制技術與應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008.

[2] 李寧.基于MDK的STM32處理器應用開發(fā)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[3] 龐勇，賀益康，方衛(wèi)中.基于專用控制芯片的永磁無刷直流電機控制器[J].微電機,1999，32(3):15-17.

[4] 謝運祥. IR2130驅動器及其在逆變器中的應用[J].微電機,2001,34(1):50-52.

[5] ZHANG Maohua,XIA Changliang,TIAN Yang,et al.Speed control of brushless DC motor based on single neuron PID and wavelet neural network[C]//IEEE International Conference on Control and Automation.China,2007,621-624.

A Brushless DC Motor Controller Based on ARM Processor

JIANGZhe,LIDazhai

(School of Mechanical Engineering and Automation,Beihang University,Beijing 100191,China)

基于ARM芯片STM32F103VET6和功率MOSFET管，設計了一種適用于低電壓、較大電流無刷電機的控制器。詳細介紹了控制板和功率板的硬件結構以及保護電路的設計。采用模糊自適應PID算法實現速度閉環(huán)與電流閉環(huán)控制。實驗結果表明，控制器響應速度快、運行穩(wěn)定及可靠性高，能夠滿足使用要求。

無刷電機;ARM;MOSFET;模糊自適應PID控制

This article introduce a brushless DC motor (BLDCM) controller based on STM32F103VET6and metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET),the structure of control board and drive board is showed in detail,protect circuits to protect the controller from overcurrent and overheating are also designed.This control system responses fast and stably in tests and is especially suitable to be applied to control the motor with low voltage and relative high current.

brushless DC motor;ARM;MOSFET;adaptive fuzzy PID control

2014-03-12

TP273

A

1001-2257(2014)08-0056-03

蔣哲(1988- )，女，河北保定人，碩士研究生，研究方向為機電系統(tǒng)自動化；李大寨(1967-)，男，湖南岳陽人，高級工程師，研究方向為機器人控制技術、機電系統(tǒng)自動化。