無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)研究

劉文勇，林明耀

(東南大學(xué)，江蘇南京210096)

0 引 言

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱BLDCM)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、機(jī)械噪聲低和調(diào)速性能好等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)和商業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［1］。為滿足工業(yè)要求，設(shè)計(jì)低成本、高控制精度、高可靠性能無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制器具有非常重要的工業(yè)意義。dsPIC30F4011數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)為控制電機(jī)推出的芯片，該DSC具有豐富的片上資源，且集成了DSP內(nèi)核，將DSP的高效運(yùn)算能力和面向電機(jī)的高效控制能力集于一體，為全數(shù)字化電機(jī)控制器設(shè)計(jì)提供了有力條件。

本文設(shè)計(jì)了以dsPIC30F4011作為控制核心的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用速度電流雙閉環(huán)比例積分(PI)實(shí)現(xiàn)快速起動(dòng)、停車、切換旋轉(zhuǎn)方向;并具有與PC機(jī)及PLC通信，實(shí)現(xiàn)過(guò)/欠壓、過(guò)流和過(guò)溫保護(hù)等功能。整個(gè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，功能豐富，運(yùn)行可靠。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該系統(tǒng)的正確性和可行性，對(duì)實(shí)際產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)有一定的指導(dǎo)意義。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

控制器總體方案如圖1所示，由24 V直流電源經(jīng)由獨(dú)立全控器件MOS管組成的三相逆變橋?yàn)闊o(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)供電，24 V電源經(jīng)過(guò)DC－DC變換轉(zhuǎn)變成15 V及5 V分別為MOSFET驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)字信號(hào)處理器dsPIC30F4011及外圍電路供電。DSC捕獲霍爾信號(hào)，獲得BLDCM換相并根據(jù)換相時(shí)間間隔計(jì)算轉(zhuǎn)速。電壓電流檢測(cè)電路把直流側(cè)電壓電流轉(zhuǎn)換成0～5 V適合A/D轉(zhuǎn)換的電壓量，并為硬件過(guò)流過(guò)壓保護(hù)電路提供信息。溫度檢測(cè)電路通過(guò)IIC方式直接發(fā)送數(shù)字溫度給DSC。為限制泵升電壓過(guò)大，設(shè)計(jì)了泵升限制電路。此外，設(shè)計(jì)了按鍵回路，控制器與PLC通信接口，并編寫了控制器與PC機(jī)異步串口通信協(xié)議，使控制電機(jī)操作可以通過(guò)按鍵、PLC、PC三種方式運(yùn)行，方便了操作。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

1.2 控制電路

由于dsPIC30F4011具有豐富的片內(nèi)資源，如電機(jī)控制PWM模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊等，因此，本系統(tǒng)外圍控制電路比較簡(jiǎn)單，主要包括直流側(cè)電壓、電流檢測(cè)電路，過(guò)壓過(guò)流保護(hù)電路，溫度檢測(cè)電路，MOS管驅(qū)動(dòng)控制電路，控制器與PLC及PC機(jī)通信接口電路，24 V轉(zhuǎn)15 V及5 V電源電路，按鍵等電路。由于篇幅所限，只詳細(xì)介紹驅(qū)動(dòng)電路、電流檢測(cè)及保護(hù)電路。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示，為A相驅(qū)動(dòng)，B、C相驅(qū)動(dòng)采用同樣電路，DSC電機(jī)PWM控制模塊驅(qū)動(dòng)能力大，直流側(cè)電壓低，所以PWM模塊管腳直接與IR2101連接，不采用光耦隔離，降低了成本，減小了控制器體積。驅(qū)動(dòng)芯片采用 IR公司生產(chǎn)的IR2101，該芯片輸入和輸出同相，最高能夠驅(qū)動(dòng)直流電壓為600 V，輸入端HIN、LIN具有施密特觸發(fā)器，能夠自動(dòng)屏蔽小的擾動(dòng)，防止誤動(dòng)作。在系統(tǒng)上電復(fù)位時(shí)，DSC的電機(jī)PWM控制模塊要設(shè)置為通用IO口，6個(gè)相關(guān)管腳均設(shè)定為低電平，可以確保在復(fù)位時(shí)不會(huì)出現(xiàn)橋臂直通燒壞MOS管。

圖2 BLDCM驅(qū)動(dòng)電路

電流檢測(cè)電路如圖3所示。本系統(tǒng)控制方式采用二二導(dǎo)通方式［1］，每個(gè)電周期有6個(gè)工作狀態(tài)，每個(gè)工作狀態(tài)只有兩相導(dǎo)通，另一相懸空，在這種導(dǎo)通方式下，逆變橋直流側(cè)的電流與電機(jī)導(dǎo)通相繞組中電流大小相等，所以，為得到相電流反饋值和過(guò)流保護(hù)只需檢測(cè)逆變橋直流側(cè)電流。R1為電流采樣電阻，它位于逆變橋電路的下端功率橋臂(圖2中的Udc－)與地之間，把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，輸入運(yùn)算放大器LMH6645。

圖3 電流檢測(cè)電路

由圖3電路結(jié)構(gòu)可以計(jì)算出運(yùn)算放大器輸出Vo表達(dá)式:

式中:i為直流側(cè)母線中電流。由圖3中器件參數(shù)可知Vo=0.463(0.25i+5)，以線性測(cè)量電流范圍－20～22 A，對(duì)應(yīng)運(yùn)放輸出Vo為0～4.8 V，適合于AD轉(zhuǎn)換和硬件保護(hù)輸入的電壓范圍。由式(1)可知只要改變電阻參數(shù)即可獲得不同線性電流測(cè)量范圍。

運(yùn)放輸出Vo作為硬件過(guò)流保護(hù)電路的輸入，并且Vo經(jīng)低通RC濾波器后輸?shù)絛sPIC30F4011的AD口，得到合適的數(shù)字電流信號(hào)，作為電流反饋值，用于電流環(huán)PI計(jì)算，同時(shí)數(shù)字電流信號(hào)也作為過(guò)流保護(hù)依據(jù)，軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。

過(guò)壓及過(guò)流保護(hù)電路如圖4所示。電流采樣電路輸出Vo與合適的電壓進(jìn)行比較，若超出比較電壓，比較器輸出低電平，dsPIC30F4011捕獲后，發(fā)出過(guò)流保護(hù)動(dòng)作指令，關(guān)閉功率器件;母線電壓經(jīng)電阻分壓后，輸入到AD端口，且輸入過(guò)壓保護(hù)電路，與參考電壓比較后，輸出接至DSC，判斷是否發(fā)生過(guò)壓事件。同時(shí)AD采樣對(duì)端電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，與欠/過(guò)壓保護(hù)設(shè)定值比較，軟件實(shí)現(xiàn)保護(hù)。

圖4 過(guò)流過(guò)壓保護(hù)電路

2 雙閉環(huán)控制策略實(shí)現(xiàn)

為使控制系統(tǒng)獲得良好動(dòng)穩(wěn)態(tài)特性，須采用速度、電流雙閉環(huán)的控制策略［2］，控制策略框圖如圖5所示。速度外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)均采用比例積分(PI)控制，兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器均通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，所以靈活性強(qiáng)，精確度高。在本系統(tǒng)中采用異步采樣方式，即速度外環(huán)采樣周期是電流內(nèi)環(huán)采樣周期的倍數(shù)。

圖5 系統(tǒng)控制策略框圖

2.1 轉(zhuǎn)速與電流獲取

本系統(tǒng)中通過(guò)霍爾傳感器進(jìn)行換相，采用定時(shí)器記錄換相時(shí)間，通過(guò)計(jì)算獲取電機(jī)轉(zhuǎn)速。針對(duì)dsPIC30F4011，在第1次進(jìn)入霍爾捕獲中斷時(shí)，起動(dòng)16位定時(shí)器Timer1，當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)電周期，第7次進(jìn)入霍爾捕獲中斷時(shí)，讀取Timer1數(shù)值，并復(fù)位Timer1計(jì)數(shù)寄存器?？赏ㄟ^(guò)下式計(jì)算轉(zhuǎn)速:

式中:f為定時(shí)器的計(jì)數(shù)頻率;p為電機(jī)極對(duì)數(shù);timer為定時(shí)器Timer1計(jì)數(shù)值。由速度獲取方式可知速度采樣的周期不固定，但由實(shí)驗(yàn)結(jié)果知，并不影響實(shí)際控制效果。

電流值通過(guò)AD多次采樣轉(zhuǎn)換，取平均以后，作為電流內(nèi)環(huán)的電流反饋值。AD采樣是由DSC的定時(shí)器Timer3觸發(fā)起動(dòng)，設(shè)定合理的Timer3周期值觸發(fā)電流采樣，計(jì)算PWM占空比，可以獲得良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

2.2 轉(zhuǎn)速電流PI計(jì)算實(shí)現(xiàn)

控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速外環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速控制，電流內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)電流控制。參考轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速差值通過(guò)比例積分算法后，作為電流參考，通過(guò)式(3)實(shí)現(xiàn);電流參考值與電流反饋差值，經(jīng)比例積分算法后，作為新的占空比，對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，通過(guò)式(4)實(shí)現(xiàn)。

式中:Irefk為電流參考值;KP為速度比例系數(shù);KI為速度積分系數(shù);ek為第k次采樣時(shí)速度誤差。

式中:PWMk為下一個(gè)占空比;KiP電流比例系數(shù);KiI電流積分系數(shù);eik為第k次采樣時(shí)電流誤差。在實(shí)際控制電機(jī)時(shí)，通過(guò)積分限幅和輸出限幅，可有效地減小超調(diào)。為了使控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定，當(dāng)速度采樣誤差和電流采樣誤差小于某設(shè)定閥值時(shí)，就可以認(rèn)為當(dāng)前次誤差為零，這樣可以避免一些小的擾動(dòng)引起的系統(tǒng)震蕩。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括主程序、霍爾信號(hào)捕獲中斷程序、AD采樣中斷程序、IIC通信程序及電機(jī)制動(dòng)程序。

主程序主要包括各種全局變量的宏定義、電機(jī)PWM控制模塊、霍爾捕獲、AD、IIC模塊、IO口、UART等系統(tǒng)初始化，并實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)及PLC通信、變換旋轉(zhuǎn)方向、電機(jī)制動(dòng)等功能?；魻柌东@中斷程序主要實(shí)現(xiàn)電機(jī)換相、獲取電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速、計(jì)算速度環(huán)PI值功能，修改向PC機(jī)發(fā)送速度標(biāo)志等。AD采樣中斷程序主要實(shí)現(xiàn)將直流側(cè)電壓、電流轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，計(jì)算電流環(huán)PI，并在軟件中實(shí)現(xiàn)過(guò)流及欠/過(guò)壓保護(hù)和限制泵升電壓過(guò)大，修改向PC機(jī)發(fā)送電流標(biāo)志等功能。IIC通信程序?qū)崿F(xiàn)控制系統(tǒng)的數(shù)字溫度傳輸及溫度保護(hù)功能。電機(jī)制動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)能量回饋制動(dòng)［3－4］、快速停機(jī)的功能。由于篇幅有限，只給出主程序流程圖，如圖6所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

該控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)一臺(tái)額定功率80 W、額定電壓24 V、額定電流5 A、額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)波形通過(guò)UART串口通信，由PC機(jī)記錄數(shù)畫圖得到。

圖6 系統(tǒng)主流程圖

圖7a、圖7b分別為空載條件下參考速度從100 r/min經(jīng)過(guò)5次階躍變化到3 000 r/min時(shí)，實(shí)際轉(zhuǎn)速和直流側(cè)電流變化曲線圖。參考速度的變化是由PC機(jī)通過(guò)UART通信發(fā)送指令給控制器實(shí)現(xiàn)。從圖中可以看出，在空載條件，超調(diào)最大2%，最大調(diào)節(jié)時(shí)間0.83 s，說(shuō)明電機(jī)轉(zhuǎn)速能夠平滑、快速地跟隨參考速度變化。

圖7 參考轉(zhuǎn)速變化時(shí)實(shí)驗(yàn)波形

圖8、圖9分別為參考速度n*為1 500 r/min和3 000 r/min時(shí)在負(fù)載改變的情況下實(shí)際轉(zhuǎn)速和直流側(cè)電流變化曲線圖。從圖中可知，在負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，轉(zhuǎn)速會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，增加負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速產(chǎn)生短暫的下降，突然卸載時(shí)轉(zhuǎn)速突然增加，但都能很快過(guò)渡到穩(wěn)態(tài)并達(dá)到參考速度，n*為1 500 r/min最長(zhǎng)過(guò)渡時(shí)間為0.15 s，系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。

圖8 n*=1 500 r/min，負(fù)載變化時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該控制系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，能夠快速達(dá)到參考速度，且超調(diào)小，穩(wěn)態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)速誤差可以控制在0.3%內(nèi)，具有良好的穩(wěn)態(tài)性能。該控制系統(tǒng)達(dá)到了期望目標(biāo)，對(duì)工業(yè)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)有一定的指導(dǎo)意義。

圖9 n*=3 000 r/min，負(fù)載變化時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形

5 結(jié) 語(yǔ)

以數(shù)字信號(hào)控制器dsPIC30F4011為主控芯片，采用速度電流雙閉環(huán)比例積分控制策略，設(shè)計(jì)了一套無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制器。充分利用了DSC的片內(nèi)資源，在實(shí)現(xiàn)各種功能的同時(shí)，簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)硬件電路，大大節(jié)省了成本，減小了控制器體積，提高了可靠性。采用速度、電流雙閉環(huán)PI調(diào)速，實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)正確可行，并具有良好的動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能。

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