基于KV31的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

尹相國(guó)，趙蒞龍，修方強(qiáng)，趙永瑞

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266580；2.青島新前灣集裝箱碼頭有限責(zé)任公司，山東 青島 266520；3.山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061)

0 引言

近年來(lái)，隨著技術(shù)水平的日益提高以及對(duì)環(huán)保和效率等方面的需求不斷增加，提出了智慧港口和節(jié)能港口的建設(shè)目標(biāo)。港口機(jī)電設(shè)備的升級(jí)改造是其中的重要組成部分。電機(jī)系統(tǒng)作為港口機(jī)電設(shè)備的重要組成部分，通過(guò)提高其能源利用率可以使設(shè)備的能耗大幅降低。主要方法包括采用高效節(jié)能電機(jī)，或者對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造。以此提高整個(gè)系統(tǒng)的工作效率，優(yōu)化系統(tǒng)控制以及運(yùn)行[1]。

目前，港口機(jī)械各運(yùn)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要采用鼠籠式三相異步電機(jī)。其生產(chǎn)制造成本低，構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，保養(yǎng)和維修成本相對(duì)較低。但缺陷是速度調(diào)節(jié)能力差，必須采用變頻設(shè)備才能對(duì)電機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)；同時(shí)，其自身功率因數(shù)相對(duì)較低[1]。

無(wú)刷直流電機(jī)(brushless direct current motor,BLDCM)的性能表現(xiàn)優(yōu)異，速度調(diào)節(jié)能力好，運(yùn)行過(guò)程中的效率高且穩(wěn)定可靠。同時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出大，功率因數(shù)高[2]。

因此，本文提出以無(wú)刷直流電機(jī)作為港口機(jī)電設(shè)備的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。作為無(wú)刷直流電機(jī)的關(guān)鍵組成部分，控制系統(tǒng)的優(yōu)劣對(duì)于電機(jī)性能表現(xiàn)起著重要作用。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

無(wú)刷直流電機(jī)除電機(jī)本體以外，通常還包含轉(zhuǎn)子位置測(cè)量與電子換相電路。其中，電子換相電路由數(shù)據(jù)處理與功率驅(qū)動(dòng)2部分組成。

無(wú)刷直流電機(jī)的有效控制離不開(kāi)實(shí)時(shí)傳感，功率驅(qū)動(dòng)板上的傳感器采集電壓和電流信號(hào)，TMR位置傳感電路采集電機(jī)實(shí)時(shí)位置信號(hào)。控制電路對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算，然后生成相應(yīng)的PWM信號(hào)，控制驅(qū)動(dòng)電路中功率管的開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)電機(jī)的運(yùn)行[3]。整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 無(wú)刷直流電機(jī)整體方案

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)主要分為驅(qū)動(dòng)電路、控制電路和位置傳感電路。

2.1 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

2.1.1 柵極驅(qū)動(dòng)供電電路

柵極驅(qū)動(dòng)芯片的工作電路需要15 V的供電電壓，為此設(shè)計(jì)了相應(yīng)的供電電路，如圖2所示。

圖2 預(yù)驅(qū)動(dòng)供電電路

該電路的核心元器件為L(zhǎng)M317輸出可調(diào)節(jié)穩(wěn)壓模塊，其輸出值可以從1.2 V至37 V任意調(diào)節(jié)，能夠利用2個(gè)外接電阻確定具體輸出值。輸出電壓計(jì)算公式為

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當(dāng)R1為200 Ω，R2為2.15 kΩ時(shí)，VO=14.687 5 V，近似接近于15 V。

2.1.2 電流采樣電路

功率板上需要相電流和直流母線電流的信號(hào)采樣電路，并將采集到的信號(hào)傳遞給MCU，為電機(jī)程序的運(yùn)行提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。目前主流的電流信號(hào)采樣電路有2種：分立元件組成的電路和電流傳感器電路[4-5]。

采樣電阻與集成運(yùn)放組成的采樣電路成本較低，但設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，且精度較低；電流傳感器方案采用集成元件，電路設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單，采樣精度更高。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，本文采用后者，傳感器選用英飛凌的TLI4971，工作電路如圖3所示。

圖3 電流采樣電路

TLI4971電流傳感器的內(nèi)部集成差分測(cè)量，能有效克服周圍電磁的擾動(dòng)?；诮?jīng)典測(cè)量方式設(shè)計(jì)的電流傳感器，環(huán)境條件(如溫度)對(duì)測(cè)量精度的影響較大。相比之下，TLI4971電流傳感器的測(cè)量結(jié)果更為精確，可以達(dá)到閉環(huán)系統(tǒng)的水平。

同時(shí)，該傳感器配置有可編程濾波器，能夠克服雜散磁場(chǎng)，因此，該傳感器受外部磁場(chǎng)的干擾較弱。在可預(yù)先配置的電平上，該傳感器可以迅速檢測(cè)過(guò)電流，此功能允許控制單元獨(dú)立于主測(cè)量路徑關(guān)閉，防止功耗器件損壞。

2.1.3 直流母線電壓采樣電路

在該直流母線電壓的測(cè)量電路中，其采樣電阻連接至直流母線的正、負(fù)極。輸出需要并聯(lián)0.1μF的穩(wěn)壓電容。輸出電壓為

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2.1.4 柵極驅(qū)動(dòng)電路

通常選用專門的驅(qū)動(dòng)電路為MOSFET的柵極提供驅(qū)動(dòng)電流并施加高低電平。

柵極驅(qū)動(dòng)器可以對(duì)微控制器的PWM信號(hào)進(jìn)行放大，增大驅(qū)動(dòng)能力。如果用MCU直接驅(qū)動(dòng)MOSFET功率開(kāi)關(guān)電路，可能會(huì)使MCU的溫度過(guò)高，進(jìn)而損壞。與微控制器相比，柵極驅(qū)動(dòng)具有更高的驅(qū)動(dòng)能力，同時(shí)能夠迅速切換開(kāi)關(guān)狀態(tài)。這樣能夠降低開(kāi)關(guān)過(guò)程中的功率損耗，提升工作效率[6]。

柵極驅(qū)動(dòng)器還可以起到隔離的作用。應(yīng)用柵極驅(qū)動(dòng)器對(duì)低壓控制電路和功率開(kāi)關(guān)電路進(jìn)行隔離之后，如果功率開(kāi)關(guān)電路發(fā)生故障，損壞的僅僅是高壓側(cè)電子元件，不會(huì)對(duì)低壓側(cè)的控制電路造成損壞，同時(shí)還可以保障人員安全。

2.1.5 功率開(kāi)關(guān)電路

FDMS8090的內(nèi)部集成2個(gè)相同的N溝道MOSFET，在設(shè)計(jì)功率開(kāi)關(guān)電路時(shí)作為每相的上、下橋臂。關(guān)斷電源后，BLDCM處于發(fā)電狀態(tài)，220 μF(100 V)的電容用于此時(shí)的能量?jī)?chǔ)存。

2.2 控制電路設(shè)計(jì)

2.2.1 復(fù)位電路

盡管MCU的片內(nèi)包含上電復(fù)位電路，上電時(shí)能主動(dòng)輸出復(fù)位信號(hào)，但為了調(diào)試方便，可添加外部復(fù)位按鍵。簡(jiǎn)單的按鍵與阻容就能構(gòu)成外部復(fù)位電路，如圖4所示。

當(dāng)按下SW3按鍵時(shí)，RESET處于低電平，系統(tǒng)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)；當(dāng)松開(kāi)SW3按鍵時(shí)，電源對(duì)C15充電，當(dāng)RESET電壓大于低電壓閾值，微控制器恢復(fù)正常工作狀態(tài)。

現(xiàn)在學(xué)生作文普遍存在一個(gè)問(wèn)題：明確了文章主題，也有一些寫作素材，但總是描寫不具體、抒情不細(xì)膩，顯得空洞抽象、平淡單薄，不能給人以深刻印象，更不能打動(dòng)人心。特別是親情類的記敘文，更是千人一面，大多都是“半夜發(fā)燒送醫(yī)院”和“雨中送傘”。仔細(xì)研究，你會(huì)發(fā)現(xiàn)造成上述問(wèn)題的原因在于學(xué)生缺乏細(xì)致的觀察與沒(méi)有生動(dòng)的細(xì)節(jié)描寫。而細(xì)節(jié)描寫在作文中具有舉足輕重的作用，成功的細(xì)節(jié)描寫往往能達(dá)到“一瞬傳情，一目傳神”的藝術(shù)效果。好作品之所以感人肺腑，就是因?yàn)橛芯蕜?dòng)人的細(xì)節(jié)描寫。說(shuō)細(xì)節(jié)是文章的生命毫不為過(guò)。

2.2.2 晶振電路

根據(jù)KV31參考手冊(cè)要求，選擇8 MHz的無(wú)源晶體，搭配2個(gè)18 pF的電容組成晶振電路，并聯(lián)1 MΩ的電阻作為阻抗匹配，改善電路性能，如圖5所示。

圖5 晶振電路

2.3 位置傳感電路設(shè)計(jì)

TLE5501是基于TMR原理的角度傳感器，可用于確定磁場(chǎng)的方向。工作原理是利用TMR元件測(cè)算sin與cos分量。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 TLE5501內(nèi)部原理

傳感器內(nèi)置8個(gè)TMR電阻元件，每個(gè)電阻的阻值由外部磁場(chǎng)的方向決定。2個(gè)獨(dú)立的惠斯登電橋分別感應(yīng)磁場(chǎng)在X和Y軸方向的分量。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，電橋的差分輸出呈現(xiàn)sin曲線與cos曲線變化，可以在微控制器中直接進(jìn)一步處理。電橋的輸出電壓較大使得不需要信號(hào)放大電路。

TLE5501的工作電路如圖7所示，傳感器內(nèi)的電阻與輸出引腳上并聯(lián)的電容構(gòu)成RC低通濾波電路，提高了電路的抗噪聲性能。

圖7 TMR轉(zhuǎn)子位置測(cè)量電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)需要結(jié)合控制需求及硬件電路綜合考慮，其中控制需求主要是實(shí)現(xiàn)電機(jī)平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)以及對(duì)故障信號(hào)的實(shí)時(shí)響應(yīng)。

與embOS和MQX等嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)相比，F(xiàn)reeRTOS的內(nèi)核比較小，調(diào)度策略非常靈活，源碼全部公開(kāi)，可裁減性和可移植性好并且完全免費(fèi)，可以運(yùn)行在各類微控制器上。FreeRTOS的功能基本能夠滿足較小系統(tǒng)的要求[7]。

在程序設(shè)計(jì)中,狀態(tài)機(jī)是非常重要的編程架構(gòu)。在整個(gè)無(wú)刷直流電機(jī)控制過(guò)程中，需要經(jīng)過(guò)多個(gè)狀態(tài)，如停止?fàn)顟B(tài)、運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)和故障狀態(tài)等。采用狀態(tài)機(jī)的方式，可以使控制邏輯簡(jiǎn)單明晰[8]。

3.1 速度環(huán)控制任務(wù)

在速度環(huán)控制任務(wù)中，首先比較實(shí)際速度與目標(biāo)設(shè)定值，如果已達(dá)到目標(biāo)速度，則無(wú)須計(jì)算滑模速度控制器。如果沒(méi)有達(dá)到目標(biāo)速度，首先對(duì)目標(biāo)速度進(jìn)行調(diào)制，將目標(biāo)速度與實(shí)際速度之間的速度差分解為多步實(shí)現(xiàn)，避免速度控制器產(chǎn)生角度的超調(diào)。然后計(jì)算調(diào)制后新的目標(biāo)速度值與實(shí)際速度的偏差，并將其輸入至滑模速度調(diào)節(jié)器進(jìn)行運(yùn)算，輸出新的Q軸電流。速度環(huán)控制流程如圖8所示。

圖8 速度環(huán)控制任務(wù)

3.2 ADC中斷程序設(shè)計(jì)

數(shù)模轉(zhuǎn)換完成以后會(huì)觸發(fā)ADC中斷。在中斷服務(wù)程序中，首先讀取電流和電壓的測(cè)量值，并且對(duì)電壓值進(jìn)行數(shù)字濾波；然后執(zhí)行磁場(chǎng)定向矢量控制(field oriented vector control，F(xiàn)OC)，并且更新三相電壓值。

作為ADC中斷程序中的核心，F(xiàn)OC控制算法需要計(jì)算電流控制器并且進(jìn)行空間矢量調(diào)制，如圖9所示。首先計(jì)算當(dāng)前角度的sin/cos值，用于后面的坐標(biāo)變換；然后進(jìn)行Park變換和Clark變換；接下來(lái)就是根據(jù)位置傳感器的輸入進(jìn)行位置和速度計(jì)算并對(duì)速度值進(jìn)行濾波；如果電流環(huán)開(kāi)啟，那么要進(jìn)行電流控制器的計(jì)算，然后進(jìn)行反Park變換以及空間矢量調(diào)制。

圖9 FOC控制算法流程

3.3 PDB中斷

測(cè)量作為控制系統(tǒng)不可或缺的一部分，為了實(shí)現(xiàn)精確、快速的控制，需要在反饋系統(tǒng)干預(yù)前獲得實(shí)際數(shù)據(jù)。特別是，必須在正確的時(shí)間點(diǎn)測(cè)量周期信號(hào)，否則可能會(huì)得到不準(zhǔn)確的值。如果在脈沖寬度調(diào)制周期的中間進(jìn)行測(cè)量，則無(wú)需任何其他計(jì)算即可獲得電流的平均值。

因此，為了盡可能的獲取準(zhǔn)確的電壓和電流信號(hào)，將ADC轉(zhuǎn)換設(shè)置在PWM周期的中間位置。PDB作為可編程延時(shí)模塊，將其定時(shí)值設(shè)定為PWM周期的一半。當(dāng)PDB的計(jì)數(shù)達(dá)到設(shè)定值，觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)FlexTimer與ADC的同步，如圖10所示。

圖10 外設(shè)關(guān)系

FTM與ADC同步不僅可以獲得電流的平均值，還可以使測(cè)量不受功率開(kāi)關(guān)的干擾，有助于過(guò)濾測(cè)得的電流；ADC中斷程序執(zhí)行之前，所有處理都只能由硬件完成，無(wú)需計(jì)算能力。

4 試驗(yàn)測(cè)試

4.1 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

為測(cè)試控制系統(tǒng)性能，搭建試驗(yàn)平臺(tái)，主要包含J-Link仿真器、控制器(包括核心控制板和功率驅(qū)動(dòng)板)、磁滯制動(dòng)器、扭矩傳感器和電機(jī)本體等，如圖11所示。

圖11 測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)

4.2 測(cè)量結(jié)果及分析

根據(jù)港口機(jī)械的工作環(huán)境，確定電機(jī)的性能要求為能夠保持速度穩(wěn)定，且受到負(fù)載沖擊后速度變化較小。為此，設(shè)計(jì)不同轉(zhuǎn)速下的空載試驗(yàn)以及負(fù)載試驗(yàn)。

首先進(jìn)行電機(jī)的空載試驗(yàn)，分別測(cè)試在不同設(shè)定轉(zhuǎn)速下電機(jī)空載啟動(dòng)后的轉(zhuǎn)速情況，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 空載試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表1可以看出，隨著設(shè)定速度的增加，超調(diào)量越來(lái)越小，穩(wěn)態(tài)方差也隨之減??；當(dāng)設(shè)定速度為4 000 r/min時(shí)，穩(wěn)態(tài)誤差較大，說(shuō)明額定轉(zhuǎn)速時(shí)的速度跟蹤效果較差。

然后進(jìn)行電機(jī)負(fù)載試驗(yàn)，在以恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)行過(guò)程中，施加突變負(fù)載后測(cè)量電機(jī)的速度變化，如表2所示。

表2 負(fù)載試驗(yàn)數(shù)據(jù)

可以看出，在2000 r/min和3 000 r/min下，施加負(fù)載，速度會(huì)有突變，并且負(fù)載值越大，速度的突變量越大，但是1.2 s左右就能夠恢復(fù)到設(shè)定值。在4 000 r/min時(shí)，施加負(fù)載以后，穩(wěn)態(tài)速度會(huì)下降，并且隨著負(fù)載值越大，穩(wěn)態(tài)速度誤差越大。

綜上所述，在額定轉(zhuǎn)速時(shí)，系統(tǒng)的速度跟蹤能力以及抗負(fù)載能力較差；在設(shè)定速度小于額定值時(shí)，系統(tǒng)能夠保持速度穩(wěn)定且具備較好的抗干擾能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文選用恩智浦的KV31高性能電機(jī)控制MCU作為核心元件，針對(duì)港口機(jī)電設(shè)備的實(shí)際工況，實(shí)現(xiàn)BLDCM控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

首先詳細(xì)介紹了控制系統(tǒng)的總體方案與軟硬件設(shè)計(jì)主要內(nèi)容，然后通過(guò)空載及負(fù)載試驗(yàn)測(cè)試控制系統(tǒng)的速度調(diào)節(jié)能力。

通過(guò)數(shù)據(jù)分析可知，整個(gè)控制系統(tǒng)的軟硬件能夠達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，驗(yàn)證了KV31的應(yīng)用可行性；同時(shí)為港口機(jī)電設(shè)備的升級(jí)改造提供了思路。