無刷電機PWM調速系統設計

楊馥華，康婷霞

（惠州市技師學院電子工程系，廣東惠州 516003）

隨著電力電子、電機控制理論、永磁材料技術的更新，無刷電機得到了快速發展。無刷電機去掉了傳統電機電刷的滑動接觸部分和轉子繞組部分，具有體積小、故障率低、低噪聲、無火花、效率高的優點，其具有優良的起動、調速、制動性能，在家用電器、工業控制、機器人等對控制精度要求高的場合，得到了普遍應用。特別是一些精密的機床設備，機械手臂等工控設備，不僅對控制精度要求高，對電機轉速的平穩過度提出了更高的要求，無刷電機可以實現設備的精密加工，提高產品質量的同時可以延長設備壽命[1]。

PWM（脈沖寬度調整技術）是最常用的直流調速技術，利用單片機的定時器產生的精準脈沖信號，經分頻和運放后，通過控制功率場效應管的導通和關斷來調整輸出直流電壓的脈沖寬度，使輸出的電壓成為一系列幅值相同的、可調的電脈沖信號，實現電壓的精準控制，來滿足電機的調速需求。

在調速系統中，開環系統對于穩定性要求高、響應快的場合，常常難以達到要求。文中設計的雙閉環調速系統通過對電機的反電動勢、電流進行采樣，通過反電動勢來確定電機的速度，通過檢測驅動電流確定電機功率，使單片機獲得當前的電機運行參數，進行PID 運算，實現參數的自動修正。雙閉環系統響應速度快，在上下坡、有無負載情況下都能夠對電機進行精準的速度控制[2]。

1 硬件電路設計

1.1 系統工作原理

該調速系統采用ST 系列單片機，利用定時器產生PWM 信號，采集電機的驅動電流、電機端的反電動勢，進行PID 運算，構成反饋系統。根據運算結果，調整PWM 信號，通過圖騰柱電路將單片機的控制信號放大、分隔，使其有足夠的功率來開通或者關斷MOS 管，以獲得準確的控制信號，穩定地調節電機電壓，控制轉速。該系統驅動的電機額定電壓為18 V，額定電流為4.5 A[3]。

1.2 硬件電路的組成

由于系統輸入的是頻率為1～20 kHz，幅值為18 V的交流電，為了保證系統電源的穩定性以及可靠性，需要通過整流橋整流，使整個系統取得直流電壓。通過整流電路后的電壓幅值可達到22 V，而且變化較大，不能用于對整個系統的MCU 和部分芯片提供電源。因此再對整流后的電壓進行整流降壓，使其穩定在5 V。此處降壓之后壓差較大，因此采用DC-DC 降壓方式，可使降壓之后的功率損耗小。基于MP2359開關頻率高、損耗功率小、輸出電壓紋波小、輸出電流大、體積小的優點，選取MP2359作為開關整流電路。MP2359輸入電壓可達4.5～24 V，開關頻率可達1.4 MHz，輸出電壓可達0.81～15 V，輸出電流最大值可達1.2 A，效率高達92%[4]。開關整流電路如圖1所示。

圖1 開關整流電路

系統輸入電壓穩定在5 V，單片機工作電壓為3.3 V，所以，需提供一個噪音小、靜電電流低的降壓芯片。由于降壓后壓差較小，文中采用線性降壓電路，LDO 芯片穩定性好、負載響應快、輸出紋波小。所以，采取XC6206P332MR 芯片把5 V 電壓降壓到3.3 V。此芯片電路應用簡單，工作穩定可靠，功耗較低，輸出電流可達200 mA[5]。LDO 電路如圖2 所示。

圖2 LDO電路

功率驅動選用H 橋電路，H 的橋臂采用MOS管。利用兩個N 溝道MOS 管和兩個P 溝道MOS 管，為了使該控制電路更簡易，此處采用ECH8660 芯片作為電機的驅動電路，ECH8660 為復合MOS 芯片，里面集成了一個PMOS 和NMOS 的雙MOS 芯片[6]。MOS 驅動電路如圖3 所示。

在不同時刻，電流經過MOS 芯片接入電機的兩端，不停地產生電磁力，推動電機轉子產生大小、方向不同的電磁力，推動轉子旋轉。通過切換H 橋電路的4 個柵極（G 極）的高低電平狀態，實現電機的正反轉，控制柵極的開關頻率，進而控制電機的驅動電壓，實現電機的調速。在任意時刻，對于H 橋電路中，只能控制其中一個PMOS 和另外一個NMOS 開通，否則會造成MOS 的“短路”，燒毀MOS芯片或者其他器件。為了防止MOS 的“短路”和意外短路（如氣候干燥的時候人體靜電接觸），需要在程序中設置死區時間，同時在GS 極之間加二極管保護電路。因此在此控制方式中，在控制PMOS 的柵極前端加一個圖騰式驅動電路來加快PMOS 的開關響應，增加電機驅動的可靠性和安全性[7-8]。

圖3 MOS驅動電路

當MOS 管關斷時，電機線圈可能會給造成MOS管的DC 擊穿，因此，選取的PMOS 需要在內部集成一個二極管，該系統選取ECH8660 芯片，該芯片在GS 極之間集成了一個穩壓二極管，可以實現靜電保護，防止MOS 意外擊穿。

由于驅動MOS 開斷需要高頻率以達到減小噪音的目的，因此需要對MOS 的G 極進行高速開斷。在電壓一定的情況下，需要給MOS 的DS 之間盡可能地提供一個大電流，使MOS 快速開斷，因此，該文為MOS 的驅動增加了圖騰柱方式來獲得一個大的電流驅動，加快MOS 管的響應速度，減小死區時間。圖4為PMOS 的驅動電路，MOS 管是壓控元件，需要提供給柵極一個足夠高的電壓，而單片機輸出的電壓不足以控制該MOS 的柵極開關，通過增大驅動電流來控制MOS 開斷，此處使用圖騰柱電路來放大PWM 控制信號是非常合適[9]的。圖騰柱驅動電路如圖4所示。

電機的驅動功率為當前輸入電壓乘以當前輸入電流，而當前的驅動電壓可以通過PWM 的輸出頻率以及占空比的運算獲得。在電流檢測電路中，采集驅動電流的大小，由于分流后的電流太小，需要加一個運放放大后送入單片機采樣，根據此電流判斷當前的驅動電流大小，實現當前電機的功率檢測。如果檢測到功率異常，則單片機會立即關斷MOS 的柵極以保護電路板的安全，此電路也可以作為過流保護器使用[10-11]。圖5 為功率檢測電路圖。

2 控制程序設計

圖4 圖騰柱驅動電路

圖5 功率檢測電路

該文整體控制思路為：在電路板上電復位后，先等待控制器發來一個指令，校驗指令是否正確，如果不正確，則繼續等待指令；如果正確，則解碼指令里面的速度和方向指令，并且按照接受到的速度指令輸出滿足需求的PWM 信號，控制電機啟動。同時開啟檢測指令，來檢測功率和速度。如果加入負載或者遇到上坡，檢測到的速度和原來的有偏差，則將該偏差送入單片機進行PID 運算，在很短的時間內再次調節到當前速度，由此構成一個閉環控制系統。如果檢測到當前速度與原速度一致，則不更改PWM 的輸出占空比（即按照當前速度繼續運行），使電機始終工作在恒定速度[12-13]。程序流程圖如圖6 所示。

圖6 控制程序流程圖

電機端的反電動勢作為速度環的反饋信號采集，反饋值在單片機中做PID 計算，根據計算結果，調整PWM 的輸出波形，輸出當前指令速度的PWM信號，使電機始終處于當前控制指令中的速度。在控制電機加減速的過程中，需要注意加減速曲線的平滑，否則會造成電機的控制不平穩，甚至造成設備的損壞。如果加減速曲線調節的足夠光滑，電機速度的變化會非常穩定，不會使設備或者其他電機驅動的裝置發生震顫。

2.1 無刷電機數學模型

無刷電機和傳統直流電機的運行特性基本相同，他勵直流電機電樞回路電壓平衡方程如下[14]：

式中，額定勵磁下的負載轉矩、電磁轉矩以及轉速和反電動勢之間的關系為：

2.2 單片機實現PID算法

該次仿真的目的是使直流電動機產生的功率適應負載的變化（例如當用電機驅動負載上下坡行駛時）。系統通過測量電動機的速度和功率，當檢測到功率不變，速度減慢，而速度指令卻依舊還是未變時，可判斷出當前為負載加大狀態，需要加大功率來達到穩定當前速度的效果，按照這種方式構成一個速度恒定的過程調節，對電動機的變化做出反應[15-17]。以下為PID 部分程序：

3 實驗分析

獲取電機轉速有兩種常用方式：一種是直接采集電機轉速，在電機端裝載光電編碼器或者霍爾傳感器，通過采集傳感器發出的脈沖信號，直接獲取當前的轉速；另一種是間接采集電機轉速，檢測電機反電動勢，通過反電動勢的變化計算電機的速度變化。

為了提高系統的可靠性，通過采集反電動勢實現速度檢測，如果需要精密速度控制，則要把反電動勢與電機的各項指標結合起來。由于反電動勢信號不是一個平滑的信號，因此在采集到反電動勢后需要進行數字濾波處理，得到的仿真結果如圖7 所示。在電動機恒速運行，電機起動后，0.06 s 時刻負載增加，同時反電動勢變化，通過采集反電動勢信號，控制系統調節電機的驅動電壓使得電機再次達到速度的設定值。從實驗曲線可以看出，超調量小于4 %，調節時間為50 ms 左右，穩態誤差小于3%。該控制系統具有良好的快速性和準確性。

4 結束語

圖7 仿真結果

無刷電機的反電動勢反饋，對于低速、恒定運行和無法接入編碼器的情況來說非常實用。反電動勢可直接采集得到，雖然轉換成電動機轉速過程需要計算，但是節省了安裝光電編碼器的空間，并且大大節省了傳感器的成本，提高了系統的可靠性，尤其在空間狹小、傳感器容易發生故障的場合，比如在電機處在浸沒的環境中（如壓縮機或泵）。測試表明，按照此類硬件設計和程序控制，系統能夠滿足電機的運行調速要求，電機產生的功率能夠適應負載的變化，實現電機的恒速運轉，速度切換過程中，可以實現速度的平滑調節（在各級速度調節之間無抖動），響應速度快，控制準確度高。