基于ARM Cortex-M4的永磁無刷直流調速系統設計

張從鵬，邢慶輝

(北方工業大學，北京 100144)

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基于ARM Cortex-M4的永磁無刷直流調速系統設計

張從鵬，邢慶輝

(北方工業大學，北京 100144)

介紹了一種以ARM Cortex-M4芯片作為數字信號控制器，智能功率模塊(IPM)為驅動電路的永磁無刷直流電機的調速系統。詳細闡述了該調速系統的軟硬件設計，并對調速系統搭建實驗平臺進行了對無刷直流電動機的調速控制測試。系統測試實驗結果表明：該系統性能運行穩定、可靠，速度誤差不超過1%，能滿足基本的工業應用。

永磁無刷直流電動機；STM32F407；智能功率模塊；功率驅動

0 引 言

隨著微電子、電力電子技術的發展，對現代控制理論和對永磁材料研究的深入，具有體積小、結構簡單、調速性能好、效率高等諸多優點的永磁無刷直流電動機在工業上的運用越來越廣泛。

目前，數字化智能控制直流調速的出現，使得直流調速的性能得到很大提升，并很快成為直流調速的主導。然而國內對數字化直流調速系統的研究相對較遲，形式單一，并且在很大程度上仍依賴于國外產品。基于這種情況，本文提出了一種基于ARM Cortex-M4處理器STM32F407的永磁無刷直流電動機的調速控制系統，研究調速系統的硬件實現電路和軟件控制算法，開發滿足工業現場應用的永磁無刷直流電動機調速控制系統，具有一定的應用價值與現實意義。

1 系統整體結構

1.1 永磁無刷直流電動機調速系統的組成

圖1為永磁無刷直流電動機的系統結構圖。該系統是一個典型的三環控制系統，包括電流環、速度環和位置環。電流控制器的作用是：實現快速的動態響應性能，使電流在動態響應中不出現超調現象，為此采用PI控制。速度控制器是為了增加系統的抗擾動能力，即調節速度的波動，為電流環給定。位置控制器是通過外部的脈沖給定，給定和通過永磁電機的編碼器反饋位置信息進行位置環的PID來完成對速度環的給定。其中速度控制器的反饋也來自編碼器。

圖1 永磁直流無刷電動機的系統基本結構

1.2 控制系統硬件設計

本設計的永磁無刷直流電動機調速系統的硬件結構如圖2所示。采用ARM公司的高性能主控制芯片STM32F407為核心，實現調速系統的速度控制

圖2 永磁直流調速系統的硬件結構

器、電流控制器的控制、JTAG調試接口電路、LCD狀態顯示電路、AD采集信號等相關功能。同時以三菱公司的智能功率模塊FSAM20SH60A的IPM為逆變器開關元件來完成驅動單元。

1.2.1主控電路

主控芯片STM32F407是基于Cortex-M4架構內核，集成豐富的電機庫接口電路，同時可實現永磁矢量定向控制的理想平臺，內部嵌有高級定時器、編碼器接口、AD采集接口等外設，極大地方便了直流調速的控制系統。

1.2.2電源控制部分

電源部分采用24 V單獨供電輸入，通過可調開關電源芯片LM2596進行電壓轉換，設定為15 V，為IPM驅動電路、IGBT過流保護和剎車電路等電路進行供電。設定為5 V，為光耦隔離電路、運算放大電路、編碼器接口電路、USB電路、二極管等電路電源供電。電源轉換電路如圖3所示。

圖3 電源轉換電路

1.2.3三相功率驅動控制電路

逆變器電路是伺服驅動系統的主體，向永磁電機中輸入電流，才能使其才能旋轉。三相功率驅動控制電路選擇的是IPM模塊FSAM20SH60A，內部集成了IGBT三相橋臂功率器件、驅動電路、電流保護電路、電源欠壓保護等保護電路，如圖4所示。STM32通過高級定時器輸出6路的PWM脈沖信號，作為IPM的輸入來控制逆變橋的導通和關斷，從而實現電機的精確控制。

圖4 三相功率驅動電路

1.2.4三電阻采樣電路

本設計采用是三電阻電流采樣電路，功率電阻采用5 mΩ，5 W。電流采樣放大電路如圖5所示，選用的芯片是OPA4350，該芯片具有高精度、38 MHz高帶寬，低噪聲、高轉換速率(22 V/μs)，能滿足該設計放大電路的要求。

圖5 電流采樣放大電路

1.2.5 顯示接口模塊

本設計的人機交互接口采用的是TFT型LCD彩色液晶屏模塊，分辨率為320×240，與單片機的連接如圖6所示。

圖6 TFT320240彩色液晶接口模塊

2 系統軟件程序設計

永磁無刷直流電動機調速系統的軟件部分主要由主程序、中斷服務程序、數據顯示三部分組成。本程序設計在Keil μVision集成開發環境進行標準C語言開發。主程序包括系統時鐘配置，I/O接口的初始化，定時器的初始化，LCD模塊初始化，AD數據采集和轉化設置等，然后進入循環程序。主程序如圖7所示。

圖7 主程序框架圖

中斷服務程序是在高級定時器TIM1中斷里進行的。首先對電機轉子的速度和電流進行采集處理，PID調節，生成六路PWM等。外部中斷部分為編碼器定時中斷，主要對電阻采樣的數據處理，轉子位置分析，換相以及正反轉分析等。圖8為PWM中斷服務函數流程圖。

圖8 PWM中斷服務函數流程圖

3 實驗測試及結果分析

永磁無刷直流電動機調速系統的性能測試實驗如圖9所示。驅動的電機型號為42BLFOI電機，額定電壓為24V，額定電流為1.9A，最高轉速為4 000 r/min，額定功率為26 W。

圖9 永磁無刷直流調速系統測試

通過示波器對控制器的U相和V相的波形進行觀察，如圖10所示。可看出，三相電流的波形處于穩定狀態，運行平穩。實驗結果表明，本設計系統能夠保證無刷直流電機的速度和電流控制，運行平穩，具有較高精度。

圖10 三相波形

4 結 語

本文開發了基于 ARM Cortex-M4的永磁無刷直流電動機調速系統，速度控制實驗結果表明，該方案可行，集成度高，開發周期短，系統安全可靠，是一種新的全數字調速系統方案，能滿足基本的工業應用，并且該設計可推進永磁直流無刷電動機調速系統向著智能化、數字化、模塊化方向發展。

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Design of Permanent Magnet Brushless DC Speed-Regulating System Based on ARM Cortex-M4

ZHANGCong-peng，XINGQing-hui

(North China University of Technology，Beijing 100144，China)

A speed-regulating system of the permanent-magnet brushless DC motor which used ARM Cortex-M4 as the digital signal controller and the intelligent power modular (IPM) as drive circuit was introduced. The software and hardware design of the speed-regulating system was elaborated in detail. And the experimental platform was built to test speed cotrol of the permanent-magnet brushless DC motor. System test results show that the system has stability and reliability,and its velocity error does not exceed 1%. It can meet the basic industrial applications.

permanent magnet brushless DC motor; STM32F407; IPM; power drive

2015-07-17

TM351；TM33

A

1004-7018(2016)01-0090-03

張從鵬(1975-)，男，博士，副教授，研究方向為數字化制造技術與裝備。