基于PAC5223無刷直流電機控制系統(tǒng)設計

張慧萍

(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093)

基于PAC5223無刷直流電機控制系統(tǒng)設計

張慧萍

(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093)

針對傳統(tǒng)無刷直流電機控制系統(tǒng)集成度低、精度低、調速性能差的問題，設計了一種基于Active-semi PAC5223無刷直流電機控制系統(tǒng)。該控制器集成了一個50 MHz運行速度的ARM Cortex-M0 32位微控制器核心、Active-semi專有和專利申請中的多模式電源管理模塊、可配置的模擬前端及特殊應用功率驅動。通過軟件實現(xiàn)電流和速度雙閉環(huán)PI控制。實踐證明，該控制系統(tǒng)簡化了外圍硬件電路，且具有良好的動態(tài)性能和控制精度。

無刷直流電機；PAC5223；雙閉環(huán)控制；PI調節(jié)

無刷直流電機是新一代機電一體化產品，利用電子換相代替機械換相，憑借其結構簡單、運行效率高、維護方便的優(yōu)點受到越來越多的關注[1-2]。隨著新型電力電子功率器件的不斷出現(xiàn)和微控制器高度集成化，許多復雜而有效控制策略和算法在各種電機控制中已實現(xiàn)，且越來越多地應用于家電、汽車和工業(yè)控制系統(tǒng)[3-6]。此外，采用開關功率原件進行脈沖調制也已成為主流[7]。因此有必要針對無刷直流電機的控制策略進行系統(tǒng)研究，以尋找一種高效而簡化的控制系統(tǒng)，改善無刷直流電機的運行性能[8]。

1 無刷直流電機控制系統(tǒng)結構介紹

該控制系統(tǒng)通過串口與上位機進行通信，以PAC5223芯片作為主控制器，采用PWM方式控制三相電橋，硬件過零點判斷，定時器實現(xiàn)延時換相，速度實時計算，實時調節(jié)達到上位機速度實現(xiàn)速度環(huán)PI調節(jié)[9]，母線有個可配置差分放大器采集電流與速度環(huán)輸出進行電流環(huán)PI調節(jié)，實現(xiàn)雙閉環(huán)控制[10]。高度集成化的PAC5223，使整個無刷直流電機控制系統(tǒng)變得精簡而高效，系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構

2 無刷直流電機控制系統(tǒng)硬件設計

2.1 主控IC

該系統(tǒng)的主控制器是PAC5223芯片，如圖2所示，主頻50 MHz，具有高達32 kB的嵌入式閃存，一個10位1 μs的高速模數轉換器(ADC帶有兩條自動采樣序列)，可配置I/Os，靈活的時鐘源、定時器、多功能14通道的PWM引擎。多模式電源管理器(MMPM)[11]提供了適用于多種電源模式的高效電源管理“單芯片”解決方案。其具有一個可配置的多模式開關電源控制器(能夠工作在降壓、反激或升壓模式下)和4個線性穩(wěn)壓電源。針對應用定制的功率驅動器(ASPD)包含開漏輸出驅動，適用于包括半橋、H橋、3相、智能功率模塊(IPM)以及通用驅動所設計的功率驅動器。可配置的模擬前端(CAFE)包括差分可編程增益放大器和單端可編程增益放大器，通過軟件設置可實現(xiàn)多種功能，包括信號采樣、放大、反饋和監(jiān)控。

圖2 PAC5223芯片原理圖

2.2 電源供給

24 V DC輸入給PAC5223的電源管理引腳VHM供電，之后DRM產生50 kHz PWM信號(頻率可寄存器配置)來驅動反激式開關電源MOS管，得到VP1(電壓可寄存器配置為5 V/9 V12 V/15 V)電壓。同時，VP1作為feedback形成閉環(huán)，使VP1輸出電壓穩(wěn)定。PAC5223由VP1供電后可通過內部LDO電路得到VSYS(5 V)、VCCIO(5 V)、VCC33(3.3 V) 、VCC18(1.8 V)，無需專門的BUCK電路，給芯片供電，簡化了電源電路,電源供給如圖3所示。

圖3 電源供給

2.3 驅動和采樣電路

PAC5223內部集成驅動，不用專門的驅動電路，所以三相全橋[12]，如圖4所示的IGBT可由PAC5223的DXH5、DXH4、DXH3、DRL0、DRL1、DRL2直接驅動，上橋臂采用PWM控制輸出，下橋臂為基本輸出、配置硬件死區(qū)時間，從而來驅動三相全橋。這里用了兩個20 Ω電阻并聯(lián)產生10 Ω電阻進行母線電流采樣，一方面用來做過流保護，當母線電流異常時(超過預設值)，會立刻關斷驅動以免造成電路的損壞，另一方面作為電流環(huán)采樣，進行電流環(huán)調節(jié)，達到閉環(huán)控制。

圖4 三相全橋

2.4 過零點檢測

過零點檢測[13]電路是將PAC5223的AIO7、AIO8、AIO9配置為特殊比較器模式， 相電壓需通過分壓電阻網絡得到在電壓比較器同相輸入端額定電壓范圍內電壓(0～2.5 V )。配置相應比較器被選中，才會讀取比較器輸出結果，另外兩個比較器將被忽略，星型連接的電阻(100 kΩ)集成在PAC中，中心點可通過寄存器配置連接到比較器的反向輸入端，當發(fā)生過零點時一個比較器的輸出會發(fā)生反轉，以此判斷過零點發(fā)生，延時30°換相。

當在換相時，會突然關斷開關管，由于電感上電流不能突變，若突然使某一半橋臂上下管均斷開，此時此橋臂對應的電機繞組上的電流需要續(xù)流回路減小電流，在檢測過零點時，需要避過去磁事件。電機繞組電流越大，需要放電時間越長。因此，在程序控制流程中，需要一段Blanking 時間，跳過這段時間，此段時間內不去監(jiān)測過零點，以免造成過零點混亂，導致電機換相異常。

3 無刷直流電機控制系統(tǒng)軟件設計

3.1 軟件基本架構

初始化外設資源，等待各個中斷發(fā)生，當ADC中斷發(fā)生時，進行控制狀態(tài)機的切換，確定電機運行的狀態(tài)，在相應狀態(tài)處理電機控制。用20 kHz頻率的TimeA采樣過零點比較器結果，定時器已做blanking time，去除換相時電感續(xù)流干擾。當檢測到過零點結果發(fā)生跳變，啟動TimeD，并配置TimeD，延時30°，當TimeD中斷發(fā)生，進行電機換相，以此達到整個電機控制，流程如圖5所示。

圖5 程序流程圖

3.2 速度外環(huán)和電流內環(huán)雙閉環(huán)控制

該系統(tǒng)用軟件實現(xiàn)速度外環(huán)和電流內環(huán)雙閉環(huán)控制[14]，電流環(huán)和速度換均采用位置型PI。PI調節(jié)器是一種線性調節(jié)器[15]，本系統(tǒng)速度外環(huán)，其將給定速度與實際定時器計算出來的速度的偏差的比例(P)、積分(I)通過線性組合構成控制量，對速度進行控制，在電流內環(huán)，同樣如此作用。比例，即時成比例地反應控制系統(tǒng)的偏差信號，偏差一旦產生，調節(jié)器立即產生控制作用以減小偏差，積分主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數，時間越大，積分作用越弱，反之則越強。

4 系統(tǒng)實際運行

為了驗證該系統(tǒng)設計方案的可行性，根據上述硬件、軟件設計進行無刷直流電機控制實驗。該系統(tǒng)運行在coocox開發(fā)環(huán)境，C編程，程序通過coolink下載到芯片，通過電腦上位機串口通信進行控制，實現(xiàn)雙閉環(huán)PI調節(jié)。

啟動，由示波器波形，如圖6所示，在啟動階段開V相上管和U相下管來實現(xiàn)轉子預定位，接著開V相上管和W相下管，依次六步強拉電機轉子轉動，實現(xiàn)開環(huán)拖動電機，開環(huán)會有加速過程，達到一定速度(由于不同電機的反電動勢系數不同，該點速度會不同)，會利用硬件比較器結果進行換相，而不是按固定六步強拉來換相，每當比較器結果發(fā)生跳變，延時30°，換相，接著進入閉環(huán)控制。

圖6 啟動階段波形圖(CH1 U相電壓 CH2 V相電壓CH3 W相電壓 CH4 U相電流)

進入閉環(huán)，示波器波形如圖7所示，定時器計算的速度會與上位機進行比較，速度環(huán)PI調節(jié)，輸出到電流環(huán)，與母線采樣回來的電流進行比較，電流環(huán)調節(jié)，然后控制PWM占空比，達到整個無刷直流系統(tǒng)雙閉環(huán)響應并快速達到穩(wěn)定速度。

圖7 恒速波形圖(CH1 U相電壓 CH2 V相電壓 CH3 W相電壓 CH4 U相電流)

5 結束語

基于Active-semi PAC5223無刷直流電機控制系統(tǒng)，由于PAC5223的電源管理和驅動模塊的集成，大幅減少了外圍硬件電路；采用硬件過零點檢測，只需判斷過零點結果寄存器的跳變，來判斷是否檢測到過零點，簡化了程序架構；并采用軟件雙閉環(huán)控制，實驗證明了該無刷直流電機控制系統(tǒng)，在啟動階段，階躍響應和動態(tài)穩(wěn)定上都具有優(yōu)異的性能。

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Design of the Brushless DC Motor Control System Based on PAC5223

ZHANG Huiping

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

A brushless DC(BLDC) motor control system which is based on Active-semi PAC5223 is designed in order to solve the problems of low level of integration, low precision, poor speed control performance of tradition BLDC motor control system. It integrates a ARM Cortex-M0 32-bit microcontroller core operating at 50 MHz,a multimodal power management module patented by Active-semi, a configurable analog front end and a special application power drive. By means of software, it realizes the double closed loop PI control of current and speed. It is demonstrated that this control system simplifies the peripheral hardware circuit and has a good dynamic performance and control precision.

brushless DC motor; PAC5223; the double closed loop control; PI regulation

2016- 04- 11

張慧萍(1992-)，女，碩士研究生。研究方向：無刷直流電機及其控制。宋梁(1980-)，男，博士，教授，博士生導師。研究方向：認知物聯(lián)網。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.03.027

TN721+.2;TM36+1

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1007-7820(2017)03-098-04