無刷直流電機(jī)信號(hào)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

方勝利　梅建偉　侯貿(mào)軍

摘要：本文基于無刷直流電機(jī)信號(hào)檢測系統(tǒng)的要求，首先給出了基于數(shù)字信號(hào)處理器的信號(hào)采集總體設(shè)計(jì)方案，而后設(shè)計(jì)了電機(jī)電壓、電流和轉(zhuǎn)速檢測電路，最后進(jìn)行了實(shí)際調(diào)試，結(jié)果表明，該檢測系統(tǒng)精度高，穩(wěn)定可靠，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：無刷直流電機(jī)；信號(hào)檢測；數(shù)字信號(hào)處理器

通常無刷直流電機(jī)的檢測信號(hào)主要有直流母線電壓、電流和電機(jī)轉(zhuǎn)速等。目前大多數(shù)檢測系統(tǒng)以純電氣連接為過程通道，加以濾波等相關(guān)處理后直接進(jìn)入單片機(jī)，由單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理，由于無電氣隔離，很容易使被測信號(hào)受到干擾，同時(shí)單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力有限，無法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)字濾波算法，最終使測量精度較低，系統(tǒng)可靠性差。本系統(tǒng)采用具有較強(qiáng)數(shù)據(jù)處理能力的DSP作為主控CPU，以高性能線性光耦+高精度A/D+數(shù)字濾波器的方法實(shí)現(xiàn)檢測功能，不僅使檢測系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，并且檢測精度較高。

1 檢測系統(tǒng)總方案設(shè)計(jì)

直流無刷電機(jī)信號(hào)檢測系統(tǒng)中直流母線電壓、電流以模擬量的形式首先通過以線性光耦HCNR200為核心的信號(hào)調(diào)理電路（包括信號(hào)的轉(zhuǎn)換、濾波、隔離、放大等）作用后進(jìn)入DSP的高精度A/D外設(shè)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，而轉(zhuǎn)速的檢測則通過電機(jī)內(nèi)部自帶的霍爾傳感器輸出脈沖信號(hào)，經(jīng)過相關(guān)處理進(jìn)入DSP的EV外設(shè)的捕獲單元進(jìn)行處理。為進(jìn)一步提高信號(hào)檢測的精度，在DSP內(nèi)通過數(shù)字濾波器處理，最后得到信號(hào)的檢測值。

2 直流母線電壓、電流檢測

2.1 檢測電路工作原理

母線電壓、電流檢測電路主要包括前置處理、光耦隔離、輸出處理三部分電路構(gòu)成（如圖12所示），其中第一部分電路由于測量對(duì)象不同而不同，，而后兩部分電路完全相同。在第一部分前置處理電路中，對(duì)電壓檢測而言主要通過電阻R1、R4和電容C4分別對(duì)待測電壓信號(hào)進(jìn)行分壓和濾波處理；而對(duì)電流檢測而言首先通過采樣電阻R2將待測電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，通過穩(wěn)壓二極管D1穩(wěn)壓后經(jīng)R3、C5濾波電路濾波，而后經(jīng)由R28、R30及集成運(yùn)放U2組成的負(fù)反饋放大電路進(jìn)行隔離、放大處理，最后再經(jīng)R23、C9濾波輸出。在第二部分光耦隔離電路中R21、C7及集成運(yùn)放U1構(gòu)成反饋電路，同時(shí)C7還可起到濾波作用，集成芯片U4即線性光耦HCNR200，U1的輸出經(jīng)R22限流后作為U4內(nèi)部LED的驅(qū)動(dòng)電流，電阻R24則將輸出電流轉(zhuǎn)化為電壓輸出；在第三部分輸出處理電路中，由集成運(yùn)放U3構(gòu)成電壓跟隨器，起到電壓隔離的作用，輸出電壓經(jīng)穩(wěn)壓管D2和電阻R26分別進(jìn)行穩(wěn)壓和隔離后輸出，而后進(jìn)入DSP進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

2.2 關(guān)鍵器件參數(shù)設(shè)計(jì)

集成運(yùn)算放大器的選擇：根據(jù)HCNR200芯片的電氣參數(shù)可知，其內(nèi)部LED正常工作時(shí)的驅(qū)動(dòng)電流要求為1～20mA，故集成運(yùn)算放大器U1的輸出驅(qū)動(dòng)電流必須亦達(dá)到20mA，而其其他運(yùn)放U2、U3主要是對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行隔離放大，故均選用LM358。

電壓前置處理電路參數(shù)設(shè)計(jì)：由于電機(jī)母線電壓12V≤U≤36V，考慮到集成運(yùn)放對(duì)輸入電壓的范圍限制，選擇合適的分壓電阻，同時(shí)為保證精度要求，參數(shù)設(shè)計(jì)為：R1=30K（0.5%）。

電流前置處理電路參數(shù)設(shè)計(jì)：為保R4=2K（0.5%）證電機(jī)母線電流經(jīng)采樣電阻R2轉(zhuǎn)換后的電壓有較高的精度，同時(shí)考慮到集成運(yùn)放對(duì)輸入電壓的范圍限制，同時(shí)電機(jī)的額定電流I≤4A，故選取R2=0.05Ω（2W，0.5%），而考慮到母線電流為脈沖信號(hào)，為提高其精度，故對(duì)集成運(yùn)放U2采用±15VG雙電源供電，同時(shí)考慮其電氣特性，其放大倍數(shù)設(shè)計(jì)為6，故可選用R28=2K（0.5%），R30=10K（0.5%）。

光耦隔離電路參數(shù)設(shè)計(jì)：由前置處理電路可知，本部分電路的輸入電壓Uin=U1+<3V，為保證輸出電壓U3out≤3.3V，該部分的放大系數(shù)取n=1。以圖1為例，經(jīng)對(duì)HCNR200內(nèi)部分析計(jì)算，可取R21=R24=30K（1%），而取R22=0.005R21=150Ω，經(jīng)調(diào)試，當(dāng)R22=200Ω時(shí)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差最小。

輸出處理電路參數(shù)設(shè)計(jì)：為保證由DSP不被外電路電壓燒毀，穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值U≤3.3V，故D2可選用IN4728，同時(shí)為保證DSP與調(diào)理電路的隔離，故R26選用0Ω磁珠。

3 轉(zhuǎn)速檢測設(shè)計(jì)

直流無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測主要基于均勻的分布在電機(jī)轉(zhuǎn)子上的霍爾位置傳感器，當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于電磁感應(yīng)作用，其產(chǎn)生一定寬度的脈沖信號(hào)，將這些脈沖信號(hào)進(jìn)行濾波、反向隔離、電阻分壓處理，最后進(jìn)入DSP，DSP經(jīng)過其事件管理器外設(shè)對(duì)該脈沖信號(hào)進(jìn)行邊沿捕獲，通過對(duì)一定時(shí)間內(nèi)脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)，從而獲得其轉(zhuǎn)速值。

4 實(shí)際調(diào)試結(jié)果

將設(shè)計(jì)的檢測系統(tǒng)經(jīng)過制板調(diào)試后，不斷調(diào)節(jié)母線電壓和電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速，通過檢測設(shè)備得到母線電壓、電流的實(shí)際值，同時(shí)記錄檢測系統(tǒng)的采樣值。測試結(jié)果表明：當(dāng)電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，母線電壓的采樣值相對(duì)于其實(shí)際值誤差≤0.5%以內(nèi)，母線電流的檢測誤差≤2%，完全滿足其要求。

5 結(jié)語

本文根據(jù)直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)的要求設(shè)計(jì)了其直流母線電壓、電流及電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測電路，即首先通過調(diào)理電路對(duì)其進(jìn)行隔離、放大、濾波等作用，然后將調(diào)理后的信號(hào)通過DSP進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)過數(shù)字濾波處理得到其采集值。經(jīng)過多次試驗(yàn)，該檢測電路不僅穩(wěn)定可靠，而且精度較高，完全滿足采集指標(biāo)，具有一定的應(yīng)用推廣價(jià)值。

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作者簡介：方勝利（1987），男，漢族，湖北十堰人，碩士，助教，研究方向：電機(jī)與電氣控制。