基于ARM的全數(shù)字雙閉環(huán)無刷直流電動機控制系統(tǒng)設(shè)計

李 明，周文超，陳 瑞，閆冠宇

（河南中美鋁業(yè)有限公司 河南 鄭州 452477）

傳統(tǒng)的直流電機具有運行效率高、調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點因而在工業(yè)傳動中占據(jù)著重要的地位，但其本身固有的機械換相器和電刷導(dǎo)致了電機容量有限、噪音大、容易產(chǎn)生火花和可靠性差等缺點[1-2]。隨著計算機技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，無刷直流電動機用位置傳感器和電子換相器取代了有刷直流電動機的電刷和機械換向器，同時很好的保持了傳統(tǒng)直流電機的優(yōu)點且具有比有刷直流電機更高的運行效率。因此直流無刷電機一經(jīng)產(chǎn)生就在工業(yè)生產(chǎn)中取得了廣泛的應(yīng)用，尤其在節(jié)能減排已成為時代主題的今天，無刷直流電機高效率的特點更顯示了其巨大的應(yīng)用價值。

1 全數(shù)字雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)簡介

在穩(wěn)態(tài)的情況下，直流電動機僅僅采用單閉環(huán)轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)就可以在保證直流調(diào)速非常系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速沒有靜差，即輸出完全跟隨輸入。但在快速起制動、抗干擾能力強等控制系統(tǒng)對動態(tài)性能要求較高時，因電動機在單閉環(huán)系統(tǒng)中電流和轉(zhuǎn)矩的動態(tài)過程不能得到及時有效的控制，因而需在控制系統(tǒng)中設(shè)置一個電流調(diào)節(jié)環(huán)用于調(diào)節(jié)電流。所以控制系統(tǒng)中有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)、電流調(diào)節(jié)環(huán)兩個調(diào)節(jié)環(huán)，且這兩個調(diào)節(jié)環(huán)之間實行嵌套連接。圖1及圖2分別為模擬控制[1]與全數(shù)字控制下雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖和雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

2 控制系統(tǒng)整體構(gòu)成

全數(shù)字雙閉環(huán)無刷直流電動機控制系統(tǒng)[2]主要由ARM嵌入式處理器、LCD觸摸屏、光電耦合電路、驅(qū)動電路、逆變電路、電流檢測電路、直流無刷電機位置信號檢測環(huán)節(jié)以及控制電路組成。

本設(shè)計中的ARM處理器為其內(nèi)核為Atmel公司的ARM9系列32位CPU AT91SAM9261S，它采用5級整數(shù)流水線，主頻最高可達 300MIPS，支持 Windows CE、Linux、Palm OS等多種主流嵌入式操作系統(tǒng)，在工業(yè)控制、檢測設(shè)備和儀器儀表等需要高速數(shù)字信號處理的場合運用非常廣泛。

圖2 全數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of fully digital control double-loop DC speed control system

無刷直流電機控制系統(tǒng)整體框圖如圖3所示。當(dāng)系統(tǒng)處在運行狀態(tài)時，通過電阻給定轉(zhuǎn)速信號，并經(jīng)觸摸屏[3]實時顯示及P、I參數(shù)設(shè)定，發(fā)出運行指令（如起動、正轉(zhuǎn)、制動）。根據(jù)霍爾傳感器檢測到的電機位置信號控制換相，并計算電動機的轉(zhuǎn)速來改變控制器的輸出信號，從而調(diào)整電機的運行狀態(tài)。電流檢測環(huán)節(jié)主要是實現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制和過流保護，從外部檢測到的電流信號經(jīng)過采樣后，經(jīng)放大、濾波送到A/D轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，控制單元根據(jù)檢測到的電流大小來調(diào)整電流調(diào)節(jié)器的輸出。當(dāng)出現(xiàn)過流故障時，電流檢測電路會發(fā)出故障指示信號，送入ARM處理器進行處理。

圖3 無刷直流電機控制系統(tǒng)整體框圖Fig.3 Overall block diagram of a brushless DC motor control system

3 硬件各模塊設(shè)計

3.1 光耦隔離電路

控制信號一般為10～20 kHz左右的PWM波,為了減少電磁干擾對ARM處理器的影響，需采用高速光耦進行隔離、整形和電平轉(zhuǎn)換。本設(shè)計采用6N137光耦，開關(guān)時間最大75 ns,光耦隔離電路如圖4所示。

3.2 逆變電路

圖4 光耦隔離電路Fig.4 Optocoupler isolation circuit

功率逆變電路[4]采用三相星形全橋逆變電路，如圖5所示。由6只IRF530N MOSFET構(gòu)成三相逆變橋，其中每只MOSFET功率管兩端反并聯(lián)一只二極管，用于續(xù)流和緩沖。低側(cè)三只MOSFET管并聯(lián)后串接一個小電阻Rs用作電流采樣。

圖5 逆變電路Fig.5 Inverter circuit

3.3 位置及速度檢測

本設(shè)計中直流無刷電機位置信號的檢測采用霍爾位置傳感器，即無刷直流電動機自帶的位置傳感器，其輸出側(cè)通常采用漏極開路，所以必須在它的輸出上接上相應(yīng)的上拉電阻。

根據(jù)式1計算出兩次換相間隔期間的平均角速度，然后在軟件程序中換算成r/min，或直接根據(jù)△t計算出多少r/min。

△t一般較小，可以通過采樣對PWM波計數(shù)的方式來確定△t。

3.4 電流檢測與保護電路

電流檢測與保護電路[5]如圖6所示。IR2130帶有電流電流放大器和過流輸入保護環(huán)節(jié)，可以對電流采集信號進行放大。當(dāng)過電流發(fā)生時，送到過電流檢測引腳的電壓高于0.5 V，此時IR2130內(nèi)部的過電流比較器迅速翻轉(zhuǎn)，邏輯故障處理單元輸出低電平，六路輸入信號被鎖存管腳輸出故障指示，故障時輸出為低電平，六路輸出驅(qū)動信號全為低電平，功率管進入全關(guān)斷狀態(tài)，使器件得到保護。欠壓保護的工作過程與過流保護的工作過程類似。

圖6 電流檢測與保護電路Fig.6 Current detection and protection circuit

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

電機換相控制程序[6]有2種設(shè)計方法，電機轉(zhuǎn)速不高和電機轉(zhuǎn)速較高。當(dāng)電機轉(zhuǎn)速不高時，換相周期較長，PWM周期遠高于電機換相周期，這樣可在每一個PWM周期對霍爾信號輸入進行查詢，判斷是否需要換相，并設(shè)定一個計數(shù)器記錄兩次換相期間的PWM周期數(shù)用于計算轉(zhuǎn)速。當(dāng)電機轉(zhuǎn)速較高時，兩次換相期間相隔PWM周期數(shù)不多，查詢換相的方法會導(dǎo)致?lián)Q相不及時且影響轉(zhuǎn)速計算精度，需通過中斷的方法進行換相，在需要速度調(diào)節(jié)時直接通過中斷接口函數(shù)讀取速度值。在應(yīng)用程序中加入中斷響應(yīng)事件消息響應(yīng)函數(shù)，若中斷發(fā)生，則進入中斷子程序并設(shè)置相應(yīng)故障參數(shù)。控制系統(tǒng)主程序流程圖如圖7所示。

5 結(jié)束語

無刷直流電動機用位置傳感器和電子換相器取代了電刷和機械換向器，有效降低了噪音，避免了火花的產(chǎn)生，提高了控制系統(tǒng)可靠性。本設(shè)計對全數(shù)字雙閉環(huán)無刷直流電動機的控制系統(tǒng)的軟、硬件都做了詳細介紹，以ARM為主處理器使得整個系統(tǒng)的運行效率更高、性能更穩(wěn)定。實驗室模擬結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較好的控制可靠性、良好的動態(tài)性能及系統(tǒng)穩(wěn)定性。

[1]陳小永．直流無刷電機控制技術(shù)研發(fā)[D].山東：中國石油大學(xué)（華東），2008．

[2]熊田忠，陳海霞，徐智，等．基于 AR M的無刷直流電動機控制系統(tǒng)[J]．微特電機，2007(8)：45-47.XIONG Tian-zhong,CHEN Hai-xia,XU Zhi,et al.Brushless DC motor control system based on ARM [J].Micro Motor,2007(8):45-47.

[3]王嚴(yán)偉，盧剛，李聲晉，等．基于ARM觸摸屏的無刷直流電動機控制系統(tǒng)設(shè)計[J]．微特電機，2012，40（1）:45-47.WANG Yan-wei,LU Gang,Li Sheng-jin,et al.Brushless DC motor control system based on ARM touch screen design[J].Micro Motor,2012,40(1):45-47.

[4]董昭．無刷直流電動機控制系統(tǒng)研究[D].西安:西安理工大學(xué),2007.

[5]戰(zhàn)崇玉，徐直.無刷直流電動機控制器的設(shè)計與研究[J]．煤礦機械，2013(11)：80-83.ZHAN Chong-yu,XU Zhi.Design and research of brushless DC motor controller[J].Mining Machinery,2013(11):80-83.

[6]汪兵，李存斌，陳鵬，等．EVC高級編程及其應(yīng)用開發(fā)[M].北京：中國水利水電出版社，2005.