輪椅直流無刷電機(jī)的單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)①

尹曙輝

摘 ? 要：直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)因性能優(yōu)越已廣泛使用在電動(dòng)輪椅上。使用性能優(yōu)越的單片機(jī)控制系統(tǒng)以及采用加減速控制、速度閉環(huán)控制等主要軟件算法，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的精準(zhǔn)平穩(wěn)運(yùn)行和產(chǎn)品極高的性價(jià)比。本系統(tǒng)采用STM32F405VG為核心的控制系統(tǒng)，通過對操縱桿和無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)的算法處理，結(jié)合電樞和保護(hù)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的“高性能、高穩(wěn)定、易維護(hù)、低成本”的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：S加減速曲線 ?反電勢法 ?單電阻采樣法 ?閉環(huán)控制

中圖分類號：TM33 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）09（b）-0121-03

1 ?控制器系統(tǒng)組成和設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)組成

如圖1所示。

1.2 S曲線加減速實(shí)現(xiàn)

若綜合操縱桿及狀態(tài)生成的信號直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，會(huì)在啟動(dòng)等速度變化狀態(tài)引起強(qiáng)烈的沖擊感，既不舒服又不安全，因此作適當(dāng)?shù)募訙p速處理，常用S曲線加減速技術(shù)實(shí)現(xiàn)。完整的S曲線包含7個(gè)階段，在實(shí)際應(yīng)用中，受到約束條件的影響會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，從而可能少于七個(gè)階段的S曲線。S曲線如圖2所示。

1.3 無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制方案

1.3.1 反電勢法檢測轉(zhuǎn)子位置原理及改進(jìn)

無位置傳感器檢測中的反EMF方法是常用的位置檢測方法[1]。由于反電勢信號中會(huì)包含脈寬調(diào)制波形功率開關(guān)過程中產(chǎn)生的尖峰干擾，一般采用模擬低通濾波器對其進(jìn)行濾波處理。但是該方式會(huì)存在產(chǎn)生相移的缺陷，并且相移會(huì)隨運(yùn)行頻率的變化而變化，因此很難補(bǔ)償校準(zhǔn)。為了提高穩(wěn)定性，可以這樣處理：檢測非導(dǎo)通狀態(tài)繞組的端電壓，并間接測量反電動(dòng)勢過零點(diǎn)的時(shí)間，從而確定換向時(shí)序。

1.3.2 單電阻采樣法的缺點(diǎn)和解決辦法

意法半導(dǎo)體公司對直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制提供了專用的電機(jī)FOC驅(qū)動(dòng)庫，其中V3.0版本支持雙馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，電流采樣支持單相電流采樣和三相電流采樣。具有單電阻電流采樣的無刷直流電機(jī)（BLDCM）的控制框圖如圖3所示[2]。單電阻采樣法存在兩個(gè)缺點(diǎn)。首先，在相同的PWM周期中只能采樣一個(gè)相電流。第二，在低調(diào)制比的情況下，3個(gè)橋臂的占空比幾乎相同，7個(gè)子時(shí)間段變?yōu)?個(gè)，并且采樣電阻器上的電流為零，這使得不可能進(jìn)行采樣[3]。

第一個(gè)問題的解決方案：在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間段將3個(gè)不變橋臂的占空比插入有效矢量中。插入的有效矢量的時(shí)間 Tmin是執(zhí)行電流采樣所需要的最小時(shí)間，Tmin= TRise+ ADC采樣時(shí)間+死區(qū)時(shí)間，TRise為任意一個(gè)MOS管開關(guān)后，ADC通道上輸入信號的穩(wěn)定時(shí)間。

第二個(gè)問題的解決方案：把有效矢量插入技術(shù)輪流用到A、B兩相。在有效矢量插入模式中，需要補(bǔ)償由PWM引起的相電流失真，如圖4所示。在常規(guī)模式與邊界模式進(jìn)行切換時(shí)，電流的變化會(huì)被存儲起來，當(dāng) PWM模式進(jìn)入相同的邊界區(qū)域后，通過加減消除這個(gè)變化量就可以對電流的采樣值進(jìn)行補(bǔ)償。三對中一對PWM信號變形如圖4所示。

2 ?電動(dòng)輪椅控制器系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

控制器系統(tǒng)硬件框圖如圖5所示。系統(tǒng)功能模塊示意圖如圖6所示。

2.1 模擬數(shù)據(jù)采集與濾波處理

由于傳感器的模擬信號輸出數(shù)值均是直流信號，采集的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確度，為了減少干擾信號對系統(tǒng)的采集準(zhǔn)確度的干擾，本系統(tǒng)采用數(shù)字濾波算法。常用的數(shù)字濾波方法有多種，本設(shè)計(jì)采用了改進(jìn)后的算術(shù)平均值算法，以克服其不適用計(jì)算速度較快的實(shí)時(shí)控制的缺陷。具體做法是：對采集的100個(gè)數(shù)值，使用快速排序算法進(jìn)行從大到小的排序，然后舍棄最大的20個(gè)數(shù)值和最小的20個(gè)數(shù)值，取中間的60個(gè)數(shù)值進(jìn)行平均計(jì)算。

2.2 電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制功能模塊

電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制主要在定時(shí)器中斷中完成，實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)輪椅兩個(gè)電機(jī)的速度控制、ADC定時(shí)采樣、過流保護(hù)等功能。注意定時(shí)器中斷處理：（1）必須首先檢測操縱桿的位置和電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。僅當(dāng)操縱桿處于中心位置并且電動(dòng)輪椅處于停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，才能在輪椅上執(zhí)行制動(dòng)控制操作，否則可能損壞電動(dòng)機(jī)。（2）電路中，電流信號分別以三種方式參與了系統(tǒng)的運(yùn)行控制：電流的截止負(fù)反饋鏈路起到限流保護(hù)的作用;目前的正反饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)改善了機(jī)械性能;負(fù)載不平衡補(bǔ)償協(xié)調(diào)了左右電機(jī)平衡。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫小麗，鄧智泉，王騁.一種基于平均轉(zhuǎn)矩控制的無刷直流電機(jī)無位置傳感器方法[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2018，33（13）：2905-2913.

[2] 李鈺. 基于FPGA的多電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].華中科技大學(xué)，2017.

[3] 周永奎. 電動(dòng)汽車用內(nèi)埋式永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的研究[D].福建農(nóng)林大學(xué)，2015.