雙閉環無刷直流電機驅動電路的設計與實現

摘 要： 在對無刷直流電動機控制系統的發展及應用綜述的基礎上，介紹了無刷直流電動機的結構和工作原理，給出了其數學模型，并重點分析了無刷直流電機控制技術中簡單易用且魯棒性較好的PID控制算法。對無刷直流電動機控制系統的硬件和軟件設計做了詳細論述。該電路是基于微芯公司的電機驅動電路專用驅動芯片DSPic30f4011而設計開發的，其中主體電路架構包括電源電路，三相逆變橋電路、轉速閉環、電流閉環、線電壓閉環和保護電路等。系統的軟件設計中，主要包括微控制器的初始化程序、開環起動、換向控制、電流、速度采樣時刻控制等。

關鍵詞： DSPIC； 無刷直流電機； 驅動電路； 功率MOS管

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）04?0107?04

無刷直流電動機（BLDCM）簡單的說，就是沒有電刷的直流電動機。與傳統的有刷電機相比，其突出特點就是沒有電刷。無刷直流電機的主體部分要由電機本體、位置傳感器和電子開關3大部分構成。它是在機電一體化大背景下人類科技進步的產物。嚴格說，它只是一種永磁式的同步電機，而不是真正意義上的直流電機。這是因為，在大多數情況下，輸入電機的直流電在送入到線圈之前，換流器（Current Inverter）都會將直流電壓轉換成三相交流電來驅動電機。與有刷電機相比，無刷直流電機具有響應速度快、轉化效率高、磨損小以及體積小等諸多優點。因此，在能源日趨枯竭的今天，無刷直流電機越來越受到各國科研工作者的親睞。

1 BLDCM的結構以及DSP30F4011概述

1.1 BLDCM的結構

BLDCM主要由機械本體、轉子位置傳感器和MOS管開關電路3大部分構成。MOS管開關組電路的主要作用是通過MOS管的開關把直流電轉化成交流電，交流電使定子組能產生變化的磁場。轉子位置傳感器隨時檢測到轉子位置，并給出轉子位置的控制信號，間接控制MOS管開關電路，以實現快速電子換向。

1.2 DSP30F4011概述

根據市場的需要，美國微芯公司根據公司實力開發出了DSPIC30F系列單片機。這是微芯公司充分考慮了用戶需求而設計開發的。這款芯片的主要特點是：外圍接口豐富、運算速度快。它兼有單片機和DSP的雙重優點。具體的講就是，這個系列處理器采用了16位改進的哈佛結構，帶有增強型指令集，同時還具備強大的數字信號處理能力。它采用24位的指令寬度，23位的PC寬度。因此，可尋址程序空間高達96 Mb。除此之外，DSPIC30F內部還有16個可供用戶設置使用的16位通用寄存器。DSPIC30F系列控制器內部自帶存儲容量大[1]，RAM最高可達64 KB。

作為DSPIC系列典型代表的DSPIC30F4011，具有極為豐富的外圍資源供用戶使用。其中包括5個16位定時器、高速CAN總線模塊、UART串口通信模塊、10位精度的高速AD轉換模塊、40個內部中斷、5個外部中斷、3組6路PWM波形輸出模塊。其中，PWM輸出模塊的PWM輸出是可改寫的，死區時間可程控的。

BLDCM驅動電路主要是由以DSPIC30F4011的PWM模塊為中心的控制電路構成。在電機運行的過程中，霍爾位置傳感器隨時監測轉子的位置，并通過CN（Change Notification）模塊進行監測計算而得到電機的轉速信息。同時在此過程中，霍爾電流、電壓傳感器會實時的采集電機工作過程中的電流信息和電壓信息，從而得到BLDCM實時運行參數。當電流或者電壓信息發生異常時，處理器的FLAT端口的電位會被拉低，同時關閉PWM輸出以停止電機運行[2]。而CAN模塊則隨時接收指令并上傳電機參數信息[3]。

2 BLDCM驅動電路的硬件系統

BLDCM驅動電路模塊框圖如圖1所示。

如圖1所示，本系統主要由DSPIC30F處理器、IR2136 MOS管驅動芯片、轉子位置檢測模塊、電壓采樣模塊、電流采樣模塊以及三相MOS管逆變電路、CAN總線模塊和保護電路模塊構成。由于單片機無法直接驅動MOS管組，因此需要借助IR2136來間接驅動MOS管組的狀態。下面分模塊詳細介紹。三相逆變電路主要是由三組功率MOS管構成的。由于功率型的MOS管開啟電壓很大，因此單片機不能直接驅動MOS管的開關，需要間接的通過IR2136來驅動。三相逆變電路的主要作用是，將直流電壓按照一定的邏輯分配到電機的定子繞組上[4]。以DSPIC30F為核心的單片機模塊，主要由5 V供電電路、晶振電路、RESET電路、軟件下載接口、A/D采樣電路以及CAN總線通信電路組成。5 V供電電路、晶振電路是單片機正常工作的基礎。程序燒寫接口方便用戶升級程序。

過壓保護電路、欠壓保護電路以及過流保護電路共同構成了系統的保護電路模塊。此模塊是系統穩定工作的基礎。欠壓保護是為避免電池組過放電而對自身造成傷害。過壓過流保護則是為了防止電壓電流過大傷害電機本身。欠壓過壓過流保護的具體參數可以在軟件中根據特定電機和電池參數而設定。為了增加系統的魯棒性，系統采用了雙閉環的控制策略。雙閉環的含義是電流電壓和轉速閉環。保護電路中的電壓采樣電路和電流采樣電路在保護電路的同時，也實時為雙閉環控制提供可參考的數據。下面對各個關鍵模塊進行簡要介紹：

2.1 電源電路

系統供電擬設計為可采用220 V交流市電和48 V直流電壓方案，其中220 V交流市電經過變壓器、整流電路、濾波電路和穩壓電路輸出直流的48 V后再送到各電路中去；考慮到系統的機動性，同時擬設計48 V直流供電系統，方便與電池應用場合。

2.2 三相逆變橋

一般而言，電機主體部分由轉子和定子兩部分構成。有刷電機中，定子是永磁體，轉子是電樞（Armature）[5]。而在無刷直流電機中，定子是電樞，轉子是永磁體。在電動機中，電樞是產生磁力的部件。要使電動機轉起來，那么電樞的磁場必須與定子的磁場產生一定的空間角度（90°）。在無刷直流電機中，由于電樞是定子，若直接通直流電，那么電樞上產生的磁場是不變的，并不能與定子的磁場始終保持90°夾角。因此，并不能實現電能和機械能的轉化。所以，必須把電樞上的電流由直流變為可控的交流電。由此，設計了如圖2所示的三相逆變橋電路來實現直流交流的變化以驅動無刷直流電機轉動。

功率電子開關器件采用的是國際整流器公司的IRFP054N功率MOSFET，該MOSFET最大工作電流可達81 A，漏源耐壓55 V，而通態電阻僅為0.012 Ω，完全可以滿足本設計的需求。由于DSPIC處理器的輸入/輸出口的拉電流灌電流很小（僅40 mA），驅動能力非常有限。因此，采用集成電路IR2136[6?7]來直接驅動三組功率型MOS管。在項目進行中，發現此驅動器，具有穩定性好、反應速度快等優點。

2.3 電流采樣的閉環設計

電流閉環控制電路的基礎是設計電流采用電路，但是電流不能直接送入處理器的A/D采樣模塊進行采用。一般情況下，有兩種方案可選。一種是把電流通過“電流?電壓轉換電路”轉換成一定比例的電壓信號而后對電壓信號采樣；另一種則是用霍爾電流傳感器才實現對電流的采樣。“電流?電壓轉換電路”精度低溫漂厲害，故在可靠性要求高的電路中一般不被采用。而基于霍爾傳感器的采樣電路具有精度高、線性度好、溫漂低、反應時間快等諸多優點[4]。

本驅動電路的電流采樣電路是基于LEM公司LA?28NP型霍爾電流傳感器而開發設計的。如圖3所示，霍爾電流傳感器被串聯在三相橋電路與地線的中間，霍爾電流傳感器會把流經它的電流按照一定的比例縮小，即得到副邊帶電流。副邊帶電流并不能直接被處理器所采樣，因此，要經過電流電壓轉換電路的轉換。圖3中的“電流電壓轉換電路”是基于運算放大器的負反饋電路，具有穩定性高、溫漂低的特點。電機運轉的時候，周圍噪聲是很大的，所以要經過巴特沃斯低通濾波器來對轉換得到的電壓信號做去噪聲處理。最后，經過比例放大電路送入單片機采樣。

2.4 電壓采樣的閉環設計

本設計擬采用LEM公司的高精度電壓傳感器LV?28NP實現動態高精度線電壓檢測。LV?28NP將原邊的交流電壓轉換為很小的副邊電流，副邊電流經過I/V電路后轉換為電壓信號，經過精密全波整流電路和帶增益的低通濾波器后送至單片機的A/D端口進行檢測。

2.5 轉速檢測電路

轉速檢測擬采用霍爾位置傳感器和單片機的CN模塊。每轉過60 個電角度，其中一個霍爾傳感器就會改變狀態。因此，完成電周期需要6步。但是，一個電周期可能并不對應于完整的轉子機械轉動周期。完成一圈機械轉動要重復的電周期數取決于轉子磁極的對數。所以根據極對數可以確定電機的轉速。

2.6 保護電路

為了保護電動機本體和驅動系統在過壓欠壓和過流狀態下不至于損壞，要專門設計極限狀態保護電路。設計的方案如下所述：

過壓保護（OVP）：若由采樣計算得出的母線電壓高于48 V，則控制器發送“停轉”信息，請求停轉。

欠壓保護（UVP）：若由采樣計算得出的電池電壓低于44 V，則控制器亦會強行停轉電動機保護電池。

過流保護（OCP）：為了增加系統可靠性，本系統共有2套硬件OCP措施和一套軟件OCP措施：

（1）第一套OCP電路主要由電流檢測電路和電壓比較器LM311構成。LM311的輸出送到PWM模塊[2]的FLTA端口進行電平檢測。如果FLTA引腳被檢測為低電平，那么PWM模塊會立刻關斷驅動波形的輸出。這套硬件OCP的突出優點就是，響應速度快保護及時。

（2）第二套硬件過流保護電路是由IR2136提供的。副邊帶電流被轉換成電壓信號經過一系列處理之后，會被送到IR2136上的ITRIP引腳上。若此引腳電壓值滿足V>0.5 V的條件，那么IR2136內部[5]比較器會產生動作，將FAULT引腳輸出電平拉低，RCIN引腳連接的電阻電容構成RC延時機制會自動延時[3]。注意：FAULT引腳在自身欠壓的情況下，也會變為低電平。但是，主要區別在于過流情況下FAULT引腳的電平是由高變低而非一直為低電平。

（3）軟件OCP就是把A/D模塊采集到電流數據跟門限數據相比較。若大于門限值則執行相應保護程序。其特點是，反應速度慢。軟件流程圖如圖4所示。實物電路如圖5所示。

3 BLDCM驅動系統的軟件設計

上述各個硬件模塊在單片機的協調下進行有序的工作才可以完成無刷直流電機的驅動，這就要求軟件系統發揮作用。

3.1 電子換相

無刷電機要對轉子永磁體位置進行精確檢測，并用電子開關切換不同繞組通電以獲得驅動動力，換相必須及時，否則會導致電機失步，從而使電機噪音增大，效率降低，嚴重的還會導致控制器和電機燒毀。本設計采用dsPIC單片機的CN中斷來檢測換相信息，這樣單片機可以在后面繼續運行其他任務。

3.2 無級調速

采用單片機的PWM模塊實現無級調速。要根據電機本身的性質選擇PWM頻率，PWM頻率過高或過低都會導致電機效率下降。

3.3 過壓、欠壓和過流保護

為了提高軟件級保護的實時性，采用PWM中點采樣法進行電流和電壓的檢測，這樣在每個PWM穩定的時間進行電流電壓采樣可以提高精度和實時性。

3.4 雙閉環PID控制算法

雙閉環PID控制系統是實現無刷直流電機平穩運行的有效方法之一。雙閉環的主要含義是，通過電流控制環和轉速控制環的相互嵌套相互協作，來實現無刷電機的平穩運行。PID控制是最早發展起來的線性控制策略之一，至今已經有70多年的歷史，目前仍然是工業控制系統中最常用的一類控制算法。由于其簡單、魯棒性好、可靠性高和參數易整定等優點，已經在工程實際中得到了廣泛的應用。電機運行過程中，各傳感器和采樣模塊會及時的把電機運行的各個實時參數反饋給單片機，配合系統設計的保護電路，DSPIC30F系列控制器利用數字PID算法實現電機的雙閉環驅動控制[8?9]。

3.5 嵌入式實時操作系統

為了方便任務調度，實時的完成系統的各個功能，本驅動電路的內部驅動程序是基于嵌入式操作系統μC/OS?Ⅱ的。μC/OS?Ⅱ是一個基于優先級的搶占式多任務實時內核，將它移植到單片機中，可以實現多任務調度[10]。μC/OS?Ⅱ能協調管理芯片里面運行的各個任務，這保證了系統的穩定性和實時性。

任務Start主要負責系統初始化以及各個任務的創建。任務CanTX主要負責與CAN總線進行通信，實時的接收來自CAN總線的信息，實時的往CAN總線上發送信息（轉速、過流過壓信號等）。任務Speed主要負責調節PWM占空比來實時的控制電機轉速。

4 結 語

本文介紹了電機的控制方法，打破了傳統的需要電機轉子位置傳感器的無刷直流電機控制方法的局限，不但降低了電路的成本，而且增加了系統的控制靈活性和功能的可擴展性。該方案既可以應用于普通的無刷直流電機控制，也可以用于一些特殊的應用場合，例如變頻壓縮機和調速風機的控制。

參考文獻

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