無刷直流電機網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計與應用

張兵 尹玉鑫

（南陽農(nóng)業(yè)職業(yè)學院機電工程系 河南省南陽市 473000）

1 無刷直流電機網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計

無刷直流電機的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)主要包括局域網(wǎng)下的主機、網(wǎng)絡(luò)和終端三大部分，如圖1所示，硬件系統(tǒng)由PC 機、路由器、網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器和無刷直流電機閉環(huán)控制系統(tǒng)構(gòu)成，軟件系統(tǒng)主要包括電機驅(qū)動程序和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的編寫。在局域網(wǎng)下，輸入信號可通過多臺PC 機發(fā)送給終端的控制器，數(shù)據(jù)在發(fā)送和接受過程中遵循TCP協(xié)議和RS232 協(xié)議。控制器接收信號計算出控制量給三相全橋逆變電路，控制量經(jīng)過逆變電路變?yōu)殡妷盒盘栞斔徒o無刷直流電機，霍爾傳感器實時反饋位置信號，確保電機正常換相和運行，實現(xiàn)無刷直流電機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

2 無刷直流電機基本結(jié)構(gòu)

2.1 電機本體

無刷直流電機以體積小、維修方便、調(diào)速范圍廣等優(yōu)點被工業(yè)生產(chǎn)、智能家居、汽車和航空航天領(lǐng)域應用[1]。如圖2所示，無刷直流電機基本結(jié)構(gòu)主要由電機本體、直流穩(wěn)壓電源、霍爾位置傳感器和驅(qū)動電路構(gòu)成[2]。

電機本體主要由轉(zhuǎn)子和定子組成，轉(zhuǎn)子為永磁體材料，定子有兩部分：電樞繞組和鐵芯，兩者的物理安裝位置和有刷電機完全相反[3]。在電機運行過程中，定子繞組通電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場與永磁體磁場交鏈，根據(jù)矢量分析法，在轉(zhuǎn)子水平x 方向產(chǎn)生力的作用，使電機正常運行，且在運行過程中兩者磁場方向在空間上保持90°電角度同步旋轉(zhuǎn)，因此無刷直流電機也屬于同步電機，本系統(tǒng)選用無刷直流電機額定電壓24V，額定電流4A，額定轉(zhuǎn)速4400r/min，轉(zhuǎn)矩輸出0.20N.m，極對數(shù)為2。

2.2 霍爾位置傳感器

霍爾位置傳感器屬于光電傳感器的一種，由光柵盤、投光器、受光器和放大電路組成[4]。根據(jù)轉(zhuǎn)子位置的旋轉(zhuǎn)，它將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，輸入控制器中CAP 模塊，控制器根據(jù)位置信息進行換相處理，驅(qū)動三項全橋逆變電路橋臂上MOS 管導通，保證電機正常運行。本系統(tǒng)采用的霍爾傳感器為磁敏式，安裝位置在六個定子繞組中呈120°（電角度）間隔放置。

2.3 電機驅(qū)動電路設(shè)計

電機驅(qū)動電路主要由三相全橋逆變電路、濾波電路、電源模塊和霍爾信號處理電路組成。它的作用是實時接收控制器中6 路PWM 信號，決定逆變電路中6 個MOS 管導通時間和導通順序，將直流穩(wěn)壓電源逆變?yōu)锳、B、C 三相交流電，輸送給無刷直流電機，其余模塊作為輔助電路，為信號的濾波和芯片工作提供能量[5]。

2.3.1 三相全橋逆變電路

圖1：無刷直流電機的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

圖2：無刷直流電機本體結(jié)構(gòu)

三相全橋逆變電路的設(shè)計是整個硬件電路系統(tǒng)的關(guān)鍵，它的基本原理是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電[6]。電路主要架構(gòu)由三個橋臂組成，每個橋臂上具有兩個開關(guān)頻率高、驅(qū)動功率小的MOS 管。電路運行過程中，每個時刻只能有兩個MOS 管導通，且同一橋臂兩個管子不能同時導通，造成短路現(xiàn)象。本系統(tǒng)驅(qū)動芯片為IR2136，MOS 管采用IRF3205，其漏極電流最高可達110A，漏極源極電壓可達60V，符合電機運行性能要求。考慮多路電源對芯片供電易產(chǎn)生信號干擾，因此采用自舉電路使六個MOSFET 共用一片IR2136，如圖3所示三相全橋逆變電路。

圖4：自舉電路

圖5：隔離電路

圖6：相電流采集電路

圖7：電源電路

2.3.2 自舉電路

自舉電路是一種使用廣泛，給高壓柵極驅(qū)動集成電路(IC)的高端柵極驅(qū)動電路供電的方法，具有簡化電路設(shè)計、功耗低、電路穩(wěn)定性高等優(yōu)點[7]。

圖8：無刷直流電機驅(qū)動板

圖9：無刷直流電機網(wǎng)絡(luò)控制實驗平臺

圖10：電機轉(zhuǎn)速-時間響應

在三相全橋逆變電路中，每個橋臂上、下各有一個MOS 管（IRF3205），該芯片門極開啟電壓為2-4V。如圖4所示自舉電路，其中主要元器件為自舉電容和自舉二極管，其工作原理：在某一時刻，驅(qū)動芯片IR2136 第15 管腳LO2 輸出高電平時，Q6 管導通，自舉電容C8 充電，下橋臂導通；下一時刻，當IR2136 輸出HO2為高電平時，自舉電路通過R18、Q3 管的源極和柵極之間構(gòu)成回路放電，此時自舉電容C8 相當于一個電壓源，使Q3 管達到開啟狀態(tài)，則上橋臂導通，二極管是防止反向電流沖擊燒壞芯片，起保護電路作用。

2.3.3 光耦隔離電路

如圖5所示，光耦隔離電路基本單元是三極管和發(fā)光二極管，利用電-光-電物理轉(zhuǎn)換方式實現(xiàn)電氣信號隔離，本系統(tǒng)中設(shè)計光耦電路主要用于DSP28335 輸出的6 路PWM 信號的電氣隔離，實現(xiàn)電路兩端信號互不干擾，特殊電路中需增加上拉電阻，提高電流驅(qū)動能力[8]。

本系統(tǒng)光耦隔離電路選用HCPL-2631芯片，根據(jù)芯片手冊可知，該芯片為低電平驅(qū)動，電源電壓為5V，處理速度可達10MBd，因此此芯片性能符合無刷電機驅(qū)動電路隔離要求。其中R9 作為限流電阻，防止電流過大，避免出現(xiàn)尖峰脈沖噪聲。

2.3.4 信號采集電路

相電流和反電動勢波形信號是反映無刷直流電機控制效果的重要指標，考慮本系統(tǒng)電路設(shè)計的實際情況，采用采樣電阻法進行信號采集[9]。在逆變電路中，選擇三個額定功率5W、阻值0.05Ω 的采樣電阻放置在待測電路中，分別串聯(lián)在下橋臂電路，電機運行過程中，由DSP28335ADC 單元實時獲取采樣電阻兩端的電壓值，由于電阻值較小，因此根據(jù)歐姆定律可得電壓值約為電流值。如圖6所示。

考慮ADC 采樣電壓范圍（0-3.3V）,經(jīng)過計算，采樣電流值太小無法供DSP 準確采樣，因此需要增加放大電路對信號放大，調(diào)整為控制器支持的電壓范圍內(nèi)。

本系統(tǒng)選用LM358 作為放大器芯片，帶寬達到1MHZ，工作電源3-30V，共模輸入和低功耗電流，電壓信號經(jīng)過濾波、放大之后，供控制器實時采集。

2.3.5 電源電路

在驅(qū)動電路工作過程中，各芯片都需不同的工作電源，涉及多種電源電路通常有電流和通信等信號干擾，可能造成系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定，嚴重時甚至燒壞芯片[10]。

根據(jù)本系統(tǒng)中無刷直流電機的各項參數(shù)，主電源選擇一種額定電流10A，額定電壓24V 的直流穩(wěn)壓開關(guān)電源。本系統(tǒng)中共有6 種不同的電源信號，其中4 種通過電源芯片電路設(shè)計產(chǎn)生，2 種為外部（DSP28335）提供。如圖7所示。

分別采用電源芯片A0515S、B0505S 及升壓電路產(chǎn)生15V 模擬電壓、1.65V 模擬電壓、15V 和5V 數(shù)字電壓信號，外部電源和DSP 控制器提供24V、3.3V 電壓信號，其中部分電源電路如圖所示，在電源正極與GND 之間并聯(lián)電容，作用是濾除電壓諧波信號[11]。

2.3.6 PCB 板設(shè)計規(guī)則

根據(jù)上述電路原理設(shè)計，在Altium Designer 13 軟件環(huán)境下繪制PCB 板。首先繪制電路原理圖，在元件庫中找出需要用到的芯片，區(qū)別直插式和貼片式，按要求進行選用并連線。如在元件庫中無法找到此芯片，則需設(shè)計者參考芯片數(shù)據(jù)手冊自行封裝，芯片封裝嚴格按照管腳尺寸、距離、寬度等數(shù)據(jù)進行，確保能正常發(fā)揮作用。電路原理圖設(shè)計完成，需進行PCB 板繪制。PCB 板的設(shè)計和工藝質(zhì)量不僅會影響驅(qū)動電路的安全性和穩(wěn)定性，還關(guān)系到無刷直流電機網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)產(chǎn)品的實用價值，因此在制作電路板過程中充分考慮以下問題[12]：

（1）電路中各電源、信號源之間的電磁和諧波干擾；

（2）PWM 高頻（20KHz）切換引起的諧波干擾；

（3）電路中模擬信號和數(shù)字信號共地問題；

因此，在電機驅(qū)動板設(shè)計印制時，不僅要有符合系統(tǒng)要求的電氣原理和各項性能指標，還應充分保證電路板的隔離性能和抗干擾性。為降低噪聲干擾，在硬件電路的設(shè)計和制作過程中，采取以下措施：

圖11：電機相電流信號

圖12：電機PWM 控制信號

（1）布線遵循規(guī)則。各元件之間連線應遵循“橫平豎直”的原則，走線方向盡量選擇180°水平或豎直走向，也可選擇45°走角，避免出現(xiàn)銳角和直角走向[13]。

（2）合理安排布局。元器件盡量選用貼片式，主控芯片DSP28335 放置電路中心，方便信號輸出和其他芯片之間的通信，有效節(jié)省電路板空間。

（3）抑制外部噪聲。本系統(tǒng)各種設(shè)計光耦隔離電路和采用四層板架構(gòu)，將模擬信號、數(shù)字信號、電源信號和GND 進行電氣隔離，減小信號間干擾，還可通過加磁珠和屏蔽磁環(huán)等手段隔離[14]。

無刷直流電機驅(qū)動板如圖8所示。

3 無刷直流電機網(wǎng)絡(luò)控制

3.1 協(xié)議轉(zhuǎn)換器

RS232 轉(zhuǎn)Wi-Fi 盒是一款Wi-Fi 串口服務器，該串口服務器可以方便地使串口設(shè)備連接到局域網(wǎng)下Wi-Fi 無線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)串口設(shè)備的無線化網(wǎng)絡(luò)升級[15]。在使用過程中，局域網(wǎng)下各PC 機需安裝虛擬串口軟件，服務器就可直接通過RS232 協(xié)議轉(zhuǎn)為Wi-Fi 協(xié)議進行信息交互，此功能主要用于無刷直流電機控制指令的下發(fā)和反饋信號的上傳。

3.2 無刷直流電機網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

根據(jù)上述電路硬件和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計，搭建無刷直流電機網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，如圖9所示，設(shè)置局域網(wǎng)和PC 機各項配置參數(shù)，并對系統(tǒng)電路和控制器性能進行測試，驗證網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的有效性和優(yōu)越性。

4 實驗結(jié)果與分析

在無刷直流電機網(wǎng)絡(luò)控制平臺上，將開環(huán)程序通過仿真器下載到DSP28335 芯片中，進行開環(huán)實驗。通過示波器、電流鉗和CCS6.0 開發(fā)環(huán)境等測試儀器完成對系統(tǒng)各輸出信號的采集，圖10、圖11和圖12分別是電機在轉(zhuǎn)速為運行時的轉(zhuǎn)速信號、A 相電流信號和PWM 控制信號波形圖。

5 結(jié)論

本文主要研究無刷直流電機網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，主要從電機構(gòu)造、驅(qū)動電路板制作和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架三個方面進行設(shè)計實驗，最后通過網(wǎng)絡(luò)控制平臺的實驗效果證明：驅(qū)動電路板設(shè)計合理、實用性強，完全符合系統(tǒng)選用電機的各項性能要求，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和電機控制效果具有響應時間快、魯棒性強和抗干擾能力好等優(yōu)點。