一種無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

摘要：針對家電產(chǎn)品中無刷直流電機的調(diào)速需求，本文以DSP為控制核心，采用雙閉環(huán)控制算法，設(shè)計了一種無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)通過按鍵切換速度、TFT屏顯示速度及運行狀態(tài)，且具有過流保護功能，有一定的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：DSP；無刷直流電機；調(diào)速

無刷直流電機因其結(jié)構(gòu)簡單、便于維護以及良好的調(diào)速性能和機械性能，現(xiàn)已得到廣泛應(yīng)用[1]。無刷直流電機在不同場合的調(diào)速方式不同，電扇、空調(diào)、空氣凈化器等電器的風(fēng)扇速度一般只有固定35個檔位，通過按鍵等方式切換速度。而空調(diào)等電器除了要對電機調(diào)速，還需要顯示設(shè)備顯示風(fēng)速、運行狀態(tài)等。基于這些需求，本文設(shè)計一種具有調(diào)速、顯示、軟件保護功能的無刷電機控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

系統(tǒng)主要包括電機、控制器、驅(qū)動電路、信號檢測電路、顯示器、電源幾部分。電機為三相星形連接，內(nèi)置霍爾位置傳感器，額定電壓24V。控制器以MCU為核心，MCU根據(jù)檢測的信號，產(chǎn)生6路PWM驅(qū)動信號和顯示信號。PWM驅(qū)動信號經(jīng)驅(qū)動電路使無刷直流電機運行；顯示屏通過SCI通信接收顯示信號，實時顯示電機轉(zhuǎn)速與運行狀態(tài)。信號檢測電路檢測電機的轉(zhuǎn)子位置信息與母線電流，反饋到控制器，從而實現(xiàn)閉環(huán)控制和過流保護。電源為24V直流電源，系統(tǒng)具有多個電壓級，設(shè)計電路時需對24V電壓進行變換。

2 系統(tǒng)主要硬件部分設(shè)計

2.1 控制器設(shè)計

控制器主要包括MCU、電源電路、外部時鐘電路、復(fù)位電路、JTAG電路幾部分。以TI公司的TMS320f28335作為MCU，其信號處理速度快，具有ePWM、eCAP、ADC等用于電機控制的模塊。DSP芯片的引腳使用3.3V電壓，內(nèi)核電壓為1.9V，電源電路的功能就是將24V電壓轉(zhuǎn)換成3.3V、1.9V兩種電壓級，同時將模擬電源與數(shù)字電源隔離，防止串?dāng)_。時鐘電路的時鐘源選擇為30MHz晶振，其頻率經(jīng)DSP內(nèi)部的PLL電路倍頻和相關(guān)寄存器分頻，最終得150MHz的系統(tǒng)時鐘。復(fù)位電路用來完成上電復(fù)位，系統(tǒng)上電時使外部復(fù)位信號維持3個時鐘周期以上低電平，并使晶振有一段時間穩(wěn)定期[2]。程序通過XDS100V1仿真器下載進DSP，仿真器與DSP系統(tǒng)通過JTAG接口相連，DSP有7個用于程序下載的引腳，用于連接JTAG接口。

2.2 驅(qū)動電路設(shè)計

電機3個繞組的通斷電由3相全橋逆變器完成，逆變器主要由6只開關(guān)管和對應(yīng)的續(xù)流二極管組成，常用MOSFET與IGBT作為開關(guān)管，系統(tǒng)所用電機為中小型電機，所以選用MOSFET[3]。目前很多MOSFET內(nèi)部集成有反并聯(lián)二極管，因此不需要再外加續(xù)流二極管。MOSFET的通斷由控制器發(fā)出的PWM信號控制，但DSP引腳輸出功率很小，不能直接驅(qū)動開關(guān)管，需在控制器與逆變器之間加驅(qū)動電路。這里用英飛凌公司的IR2110S作為驅(qū)動芯片，單個IR2110S能驅(qū)動兩個MOSFET，如圖1所示。IR2110S的輸入端支持3.3V電壓級LSTTL邏輯電平，可與DSP引腳直接相連。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件部分包括初始化、循環(huán)等待、中斷及控制子程序等。首先對系統(tǒng)時鐘、各模塊寄存器、全局變量等進行初始化，之后等待中斷發(fā)生。控制策略為雙閉環(huán)控制，速度環(huán)為外環(huán)，電流環(huán)為內(nèi)環(huán)[4]，均為增量式PI算法。電流采樣、位置信號捕獲、雙閉環(huán)控制均在中斷子程序里完成。其中換相、轉(zhuǎn)速計算在CAP中斷里，PI算法及電機狀態(tài)顯示程序嵌入在ADC中斷程序里，電機調(diào)速、速度顯示在外部中斷里完成。電機調(diào)速流程如圖2所示，圖中key_num為按鍵次數(shù)。

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一個無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)，系統(tǒng)用TMS320F28335做為控制芯片，IR2110S為驅(qū)動芯片，內(nèi)外環(huán)均為增量式PI控制。該系統(tǒng)具有按鍵起停電機、調(diào)速、顯示和過流保護功能，對無刷直流電機在家電產(chǎn)品中的應(yīng)用具有參考價值。

參考文獻：

[1]王國宇.基于STM32的無刷直流電機控制系統(tǒng)設(shè)計及仿真研究[D].廣西師范大學(xué)， 2016.

[2]李海波.基于TMS320F28335無刷直流電機的控制系統(tǒng)研究[D].中國科學(xué)院研究生院， 2010.

[3]岳學(xué)磊，白鵬，楊瑞坤，等.三相8極無刷直流電機控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用， 2016， 42（4）： 6066.

[4]劉曉梅，李鷗，魏立峰.基于睡眠呼吸機的無刷直流電機控制系統(tǒng)[J].沈陽化工大學(xué)學(xué)報， 2016， 30（4）： 372377.

作者簡介：楊榮金（1992），男，漢族，河南周口人，碩士，研究方向：無刷電機控制。