基于LPC1769芯片的無刷直流電機智能控制*

黃海波，蘭建平，張 凱

(湖北汽車工業學院電氣與信息工程學院，湖北十堰 442002)

0 引言

無刷直流電機(BrushlessDCMotor，BLDCM)具有輸出功率大、噪聲低、可靠性高、容易維護等優點，在實際中得到了廣泛應用，尤其在電動車領域已成為動力驅動系統的核心。早期的無刷電機控制器多采用純模擬電路或專用集成芯片來實現，這種設計方法不利于功能擴展和升級，功能實現受限。隨著各種高性能微處理器的出現，以DSP為控制核心的無刷電機控制器得到了普遍應用[3]，尤其是集成了豐富外設的單片機，占據了無刷電機控制器CPU的主導市場[4]。

為了改善BLDCM的運行性能，在外環采用速度環的基礎上，在內環引入電流負反饋來控制無刷電機的速度和輸出轉矩[5]。通過速度電流雙閉環反饋控制，達到系統的超調小、抗干擾能力強、實時性好和運行穩定的目的。在雙閉環的控制策略中，傳統PID算法由于微分項對干擾非常敏感，而無刷電機多用于噪聲集中的場合，因此PI控制成為當前無刷電機的主導控制策略。積分項的目的主要是為了消除靜差，但在電機的起動、停止和大幅加減速的過程中，無論是速度環還是電流環，其輸出都會有很大的偏差，引起PI運算的積分積累，致使控制量超過系統允許的最大輸出，引起整個控制系統的超調，電機運行抖動且噪聲很大，嚴重時會損壞電機和控制器的功率驅動部分。本文采用32位高性能單片機LPC1769芯片為核心，通過合理的硬件和軟件設計，采用雙閉環積分分離的控制策略，實現BLDCM的智能控制。

1 系統結構與工作原理

如圖1所示，BLDCM是主要由電機本體、位置檢測器、逆變器和控制器組成的機電一體化產品[6]。轉子磁極的位置通過位置傳感器(霍爾或光電編碼器等)進行測量，控制器對位置傳感器輸出的位置信號進行邏輯處理，并產生相應的驅動時序，驅動時序信號以一定的規則觸發逆變器中的功率器件，將電源功率以一定的邏輯關系分配給電機定子各相繞組，使電機產生持續不斷的轉矩。系統結構如圖1所示。

圖1 BLDCM控制結構

如圖1所示，BLDCM控制系統主要包括:由逆變主電路、逆變功率開關驅動電路構成的功率驅動單元，以LPC1769單片機為核心的主控模塊，調速把、剎車把、限速、定速巡航及液晶顯示構成的人機接口電路，相電流、母線電壓采集電路，轉子位置檢測電路等。

采用積分分離的雙閉環控制策略，如圖2所示，其中轉速外環根據霍爾位置信號估算電機的轉速，與調速設定值作差后進行控制運算的輸出，作為電流內環的設定值。電流檢測電路檢測的電流經單片機的A/D轉換后，與設定值一起進行控制運算，得到電流調節器的輸出——一定占空比的PWM信號，用以控制逆變電路功率管的開/關狀態，實現對電機的轉速和電流的雙閉環控制。

圖2 BLDCM雙閉環控制策略

2 系統硬件設計

2.1 單片機主電路

BLDCM控制系統的硬件結構是以單片機為核心，由單片機完成所有的信號采集、處理和控制功能。如圖3所示，U+和 U－、V+和 V－、W+和W－分別作為三相逆變橋上下橋臂的驅動信號;三路霍爾信號HALLA、HALLB和HALLC送入單片機的IO捕獲輸入端，由于霍爾傳感器輸出的是漏極開漏的位置信號，必須經過上拉，并設置適當的電容進行濾波以消除毛刺;48 V的電源電壓、瞬時電流、平均電流和調速把的電壓信號分別送入單片機的4路A/D輸入引腳，在內部進行A/D轉換后進行相應的處理;過流信號和剎車信號分別送入單片機中斷引腳，隨時起到保護和停機作用;限速信號和巡航信號送入單片機的通用I/O口，單片機在空閑時刻通過查詢對應的引腳狀態來設置當前的工作狀態;通過串口輸出各種參數到另一單獨的液晶顯示電路，實時顯示當前的工作狀態，包括電壓、電流、速度、功率等。

圖3 單片機主電路

2.2 功率驅動電路

采用12只場效應管(MOSFET)P75NF75構成三相橋式逆變電路，以滿足BLDCM大功率寬范圍的驅動需求。其中每個橋臂有4個MOSFET，上下橋臂各2個MOSFET并聯。電機三相分別接于三相橋臂的中間節點，三相繞組在電機內部呈星型連接。功率驅動單元分別采用3只IR 2110集成芯片驅動3個橋臂，由于三相的驅動電路完全相同，如圖4所示，只以其中U相進行說明。按照120°電機的驅動時序，U+和U－在一個電周期內的有效信號各持續120°，且有60°的間隔區間。因此理論上當上橋臂采用PWM輸出，下橋臂采用電平控制時，不存在上下橋臂直通短路現象，但在程序設計時必須插入適當的延遲和邏輯關系以確保電路的安全。當HO輸出為低，LO輸出為高，上管截止下管導通時，輸出端與地相連，輸出端相當于地;當輸出HO為高，LO輸出為低，上管導通下管截止時，輸出端與電源相連，輸出端相當于電源電壓48 V。為避免上下橋臂短路燒毀，禁止HO和LO同時為高。

圖4 功率驅動電路

2.3 電流采集電路

從圖4可知，母線電流從電源經過其中一個橋臂的上半橋，進入一相繞組(U相)，然后經過另一橋臂的下半橋，最后經采樣電阻后到達地形成整個回路。因此，電機運行過程中采樣電路上的電流反映了母線電流，也同樣反映了電子繞組的電流。對采樣電流的實時采集是執行系統控制策略和可靠運行的重要前提。圖5是電流采集電路，分三路同時進行，第一路和第二路都是比例放大電路，除了進入運放前的濾波電容不一樣外，其他參數完全一樣，為了降低噪聲的影響，設置放大比例均為4倍多。第一路的電容C1=470 pF，只起到抑制突發噪聲的作用;第二路的電容C2=0.1 μF，對采樣電流進行平滑濾波。因此第一路瞬時電流反映了電流的實時變化，在軟件處理時起到限流作用，使其不超過規定的電流值，第二路平均電流主要用在電流環上的控制策略中。第三路是設定的比較器，當采樣電阻上的電壓超過設定的閾值時，LM339輸出瞬時變為低電平，比較器翻轉觸發單片機中斷，及時關斷MOS管，起到硬件保護的作用。

圖5 電流采集電路

3 系統軟件設計

系統軟件主要分為主程序和中斷服務程序。主程序主要完成參數初始化。對系統安全性和控制的實時性要求很高的功能，則在中斷服務程序中進行處理。

3.1 積分分離的PI算法

當電機在起動、停止、大幅度加減速，或負載突變時，速度環和電流環被控量與設定值之間會出現較大的偏差。此時應該取消積分的作用，以免由于積分作用降低系統的穩定性，超調量增大。當被控量接近設定值時，引入積分控制，以便消除靜差，提高控制精度。控制算法的程序流程如圖6所示，其實現方法如下:

(1)根據電機的實際運行情況，設定閾值ξ＞0;

(2)當|E(k)|＞ξ時，采用純粹的比例P控制，避免產生過大的超調，使系統有較快的響應;

(3)當|E(k)|≤ξ時，采用PI控制，保證系統的控制精度。

圖6 積分分離控制算法流程圖

系統采用的積分分離控制算法可簡單表示為

式中:T——采樣時間，控制算法的計算周期;

β——積分項的開關系數，當|E(k)|≤ξ時，β=1，否則 β=0。

3.2 中斷服務程序

中斷服務程序是程序設計的核心部分，從功能上分為兩部分:系統保護程序，負責對過流、剎車、過壓/欠壓等保護信號處理;電機驅動控制程序，完成電機驅動的一系列處理和控制操作。在進入中斷服務程序時，首先進行保護信號的檢測，當發生安全事故時，程序跳入系統保護程序，系統停機。將剎車也放在保護程序里進行處理，是因為剎車后對電機有同樣的處理措施。

3.2.1 系統保護程序

系統設定了過流、剎車、過壓/欠壓等故障信號檢測，其中過流和剎車是單片機LPC1769的IO引腳中斷直接引起的，起到實時保護的作用。過壓/欠壓信號是在主程序對電壓信號A/D采集后與設定的閾值比較后產生的A/D中斷。當發生故障時，調用中斷保護的故障處理子程序，關閉PWM信號輸出并做停機處理。如果沒有發生故障，系統即進入正常的電機驅動程序。

3.2.2 電機驅動程序

電機驅動程序主要圍繞圖2中速度電流雙閉環的控制策略進行設計。其中轉速環包含位置檢測模塊、轉速估算模塊、速度調節模塊。速度估算模塊根據位置檢測模塊的中斷標志信號、位置信息和軟件時間估算出當前電機轉速，將反饋速度送入速度調節器與給定速度相比較，并進行積分分離的PI調節，實現速度環的調節作用。速度調節器的輸出為電流環的設定參考值。

電流環包含電流采樣模塊、電流調節器、PWM發生模塊。電流采樣模塊根據當前轉子位置狀態采樣相應的電流，包括平均電流和瞬時電流，將平均電流送入電流調節器與參考電流相比較，并進行積分分離的PI調節，實現電流環的調節作用。用電流調節器的輸出去控制PWM發生器的占空比。同時，在任意時刻當瞬時電流的幅值超過設定的閾值時，必須適當降低PWM占空比，起到限流保護的作用。整個電機的驅動程序流程如圖7所示。

圖7 電機驅動程序流程圖

轉子位置檢測程序對驅動程序非常重要。轉子位置信息為轉速估算程序、電流采樣程序、PWM導通關斷邏輯提供重要信息。轉子位置檢測與轉速估算流程圖如圖8所示。在系統初始化時，即將3路霍爾信號對應的I/O口設置為邊沿有效捕捉狀態。當反映轉子位置的霍爾信號發生改變(上跳或下跳)時，對應的三路I/O口捕捉中斷標志位置位。在中斷服務程序中查詢該標志位，一旦有效即將I/O口設置為輸入口，讀入當前位置狀態值，保存到位置變量，完成位置檢測。然后再將I/O口設置為捕捉狀態，為下次霍爾信號跳變捕捉做準備。根據I/O口捕捉中斷標志位有效與否，判斷是否執行電機轉速估算子程序，通過起停通用定時器4的計數值來測量任意兩次位置變化之間的時間間隔。由于一個機械周期包括6個電周期，因此利用公式n=1/(6pΔT)計算電機轉速，其中p為電機的極對數，ΔT為定時器的計時差值。對估算出的轉速進行平滑濾波后，即進行積分分離的速度PI調節。

圖8 位置檢測與轉速估算流程圖

為了實時對電流進行采樣，一旦系統進入電機驅動服務程序，即通過軟件觸發A/D對瞬時電流和平均電流進行轉換。當執行轉速估算和轉速調節后，從A/D緩沖區直接讀取電流值，進行電流調節和限流保護。PWM發生模塊根據電流調節器的輸出調節PWM波的占空比，根據位置檢測值，通過查詢開關管導通邏輯表，確定導通相序，改變 PWM寄存器 ACTRB的值，實現電機換相。

4 系統測試

采用80BL145－440 BLDCM，額定參數為電壓48 V，功率550 W，轉速 4 500 r/min，1.8 N·m。分別檢驗了控制系統的霍爾位置信號檢測模塊、轉速估算模塊、PWM發生模塊、過流保護模塊、電壓采集模塊、電機信息顯示模塊、單片機和系統板供電模塊以及剎車、巡航、限速、調速把模塊。

經過反復測試，設定速度電流的調節周期T=20 ms，積分分離的速度閾值 ξ1=150 r/min，電流閾值ξ2=3.5 A時，各項功能模塊均工作正常，電機起動平穩，加速平滑，且電機在4 500 r/min范圍內轉速任意可調;人為增加電源電壓到52 V以上和降低電源電壓到42 V以下時，過壓和欠壓保護均得到實現;在運行過程中突加負載導致電機堵轉過流時，系統立即進行過流保護;當轉速把設定轉速保持8 s不變時，電機進入巡航狀態;通過示波器觀測到的霍爾信號、PWM發生信號、采樣電流等均穩定且噪聲很小，說明電路設計可靠，系統工作正常。

5 結語

通過軟硬件的設計與調試，設計了以LPC1769單片機為核心的BLDCM控制系統。針對額定電壓為48 V，額定功率為550 W的BLDCM進行安裝調試，完成BLDCM的調速、剎車、定速巡航、限速等功能性要求和過壓/欠壓保護、過流保護等安全性要求。試驗結果表明，該系統體積小、重量輕、精度高，相比傳統模擬控制器具有更大的靈活性、可靠性，稍加改進可應用于電動自行車或電動摩托車BLDCM的驅動控制。

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