基于LKS32的無刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)

張佳闊，胡志華

（上海第二工業(yè)大學(xué)，上海，201209）

1 研究背景

隨著電力電子、控制理論與方法等學(xué)科同電機(jī)控制學(xué)科的交叉日益緊密，電機(jī)控制領(lǐng)域也得到了迅速的發(fā)展。在以無刷直流電機(jī)為核心元件的調(diào)速系統(tǒng)中，使用電子逆變電路取代了傳統(tǒng)的電刷結(jié)構(gòu)，需要獲得轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子位置信號來精準(zhǔn)的控制以達(dá)到應(yīng)用要求。這些信號可以通過加裝在系統(tǒng)中的傳感器（如：霍爾傳感器、編碼器和測速發(fā)電機(jī)等）獲取，但由于傳感器存在故障風(fēng)險，導(dǎo)致其可靠性下降[1]。為解決這種缺陷，目前業(yè)界趨向于采用無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制技術(shù)。通過采集無刷直流電機(jī)運行時的電流、電壓等物理量，并對信號中的位置信息進(jìn)行提取，精確控制電機(jī)動作，提高了系統(tǒng)的可靠性[2]。為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性并節(jié)約成本，無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制成為業(yè)界最活躍的研究方向之一，基于此本文所探討的課題具有時效性與實用性。

2 基于LKS32的無刷直流電機(jī)的工作原理

由于無位置傳感器控制能夠進(jìn)一步縮小電機(jī)體積，增強穩(wěn)定性及抗干擾能力；同時電機(jī)本體的結(jié)構(gòu)也進(jìn)一步簡化，避免了傳感器安裝困難的問題，電機(jī)的生產(chǎn)工藝簡單，降低了其經(jīng)濟(jì)成本；安裝了位置傳感器的無刷直流電機(jī)難以在高溫、高濕、強輻射等惡劣環(huán)境中可靠運行，因此選用無位置傳感器的無刷直流電機(jī)。

無刷直流電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子和電樞繞組構(gòu)成，轉(zhuǎn)子材料為永磁體。在運行過程中，定子繞組通電產(chǎn)生交變磁場，在轉(zhuǎn)子永磁體的作用下，產(chǎn)生驅(qū)動力，驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，利用反電動勢檢測法，通過一定的硬件、軟件檢測到電壓或電流信號，根據(jù)原理經(jīng)過計算，間接獲得轉(zhuǎn)子位置信號，來達(dá)到電機(jī)準(zhǔn)確換相的目的，從而實現(xiàn)電機(jī)的正常運轉(zhuǎn)[3]。主控芯片采用LKS32MC086N8Q8，該芯片集成三相全橋自舉式柵極驅(qū)動模塊，可直接驅(qū)動6個N型MOSFET，故不需要設(shè)計額外的驅(qū)動電路。

3 無刷直流電機(jī)硬件電路設(shè)計

控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如下圖1所示，由控制電路、逆變電路、供電電路、反電動勢過零檢測電路、電壓檢測電路及母線負(fù)過流檢測電路等模塊構(gòu)成。

圖1 硬件總體框架圖

3.1 MCU電路

LKS32MC086N8Q8是南京凌歐創(chuàng)芯公司生產(chǎn)的面向電機(jī)控制應(yīng)用的32位內(nèi)核的專用處理器，由52個引腳構(gòu)成，集成了三相全橋自舉式柵極驅(qū)動模塊，可直接驅(qū)動6個N型MOSFET，為此可省去驅(qū)動電路的設(shè)計。

LKS32MC086N8Q8作為主控芯片控制直流無刷電機(jī)的運行具有以下特點：①支持32個獨立的中斷源及中斷向量，響應(yīng)內(nèi)部定時器和外部中斷請求等中斷執(zhí)行，可設(shè)置4個中斷優(yōu)先級，避免中斷程序在執(zhí)行過程中相互干擾；②具有電機(jī)控制專用PWM模塊，支持8路PWM輸出，個通道死區(qū)寬度可獨立配置[3];③具有多種通信接口，2路UART，1路SPI，1路IIC；④具有電機(jī)控制算法專用DSP, DSP配備獨立的程序區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)，可自主執(zhí)行 DSP 程序，亦可由 CPU 調(diào)用進(jìn)行某項計算。LKS32MC086N8Q8的基本外圍電路如圖2所示。

圖2 MCN電路

3.2 三相全橋逆變電路

采用三相全橋逆變電路實現(xiàn)直流無刷電機(jī)的驅(qū)動，下面以A相為例進(jìn)行分析。圖中VB1為高側(cè)浮動輸入電源電壓，VS1為高側(cè)浮動偏置電壓，HO1為高側(cè)柵極驅(qū)動信號輸出，LO1為低側(cè)柵極驅(qū)動信號輸出。VAH1、VAL1 均為N型MOSFET，其導(dǎo)通電壓為2—4V，既柵極電壓VGS必須大于開啟電壓UT。結(jié)合實際電路可知，下橋MOSFET管導(dǎo)通比上橋MOSFET管導(dǎo)通相對容易。為了使上橋MOSFET管也滿足導(dǎo)通的要求，需要加入“自舉電路”進(jìn)行升壓。自舉電路通過二極管、電容等升壓器件，使電容儲電后的放電電壓與電源電壓相加，從而達(dá)到升壓的目的。圖中二極管D1和電容Cu1組成上橋自舉電路，利用二極管單向?qū)щ娦詠矸乐闺娏髂嫦蛄魅耄ㄟ^自舉電路升壓至上橋的MOSFET，即升高HO1輸出電壓值，使得柵極電壓大于開啟電壓，進(jìn)而實現(xiàn)上橋?qū)āKS32輸出的PWM信號控制N型MOSFET的導(dǎo)通和截止，從而完成BLDCM的換相和調(diào)速。

圖3 三相全橋逆變電路

3.3 電流檢測電路

電流檢測電路如圖4所示，電機(jī)電流檢測采用單電阻采樣法，該方法采樣精度高且成本低。BUS端接逆變電路的A相下橋臂MOSFET的源極公共端，流入BUS端的電流就是流過直流無刷電機(jī)的電流。因為主控芯片內(nèi)部集成了運算放大器，所以不需另外設(shè)計電流測量電路，減少了電路的復(fù)雜程度。在BUS端串聯(lián)一個采樣電阻R29，那么BUS端輸出的電流信號經(jīng)采樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號，電壓信號由OPA2_IP和OPA2_IN送到MCU電路的38和39號引腳，進(jìn)行過流檢測，當(dāng)測得值超過電機(jī)的安全值時，迅速關(guān)閉PWM輸出，從而確保電機(jī)的正常運行。由OC送到MCU電路的44號引腳進(jìn)行電流檢測，檢測的電流作為電流環(huán)的控制的反饋信號[4]。

圖4 電流檢測電路

4 軟件設(shè)計

為使設(shè)計的程序清晰明了，系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計理念，使設(shè)計的程序具移植性和通用性大幅度提升，便于后期調(diào)試、維護(hù)及二次開發(fā)。BLDCM的控制程序主要分為主程序和中斷程序。主程序主要由硬件初始化模塊、系統(tǒng)初始化模塊、電機(jī)啟動、I/0初始化模塊組成。中斷的服務(wù)程序設(shè)計包括了ADC中斷模塊、CMP中斷模塊、MCPWM中斷模塊、UART中斷模塊、UTIMER中斷模塊、SysTick中斷模塊。

圖5 軟件整體框架

4.1 主程序設(shè)計

4.1.1 任務(wù)調(diào)度模塊

在任務(wù)調(diào)度模塊中，也就是主循環(huán)，將BLDCM的工作情況分為五個狀態(tài)，包含空閑狀態(tài)IDLE、初始化狀態(tài)INIT、運行狀態(tài)RUN、停止?fàn)顟B(tài)STOP以及錯誤狀態(tài)FAULT。當(dāng)處于空閑狀態(tài)時，轉(zhuǎn)子沒有轉(zhuǎn)動，但是這種情況下要實時檢測是否有外部給定的控制信號出現(xiàn)，為初始化做準(zhǔn)備;當(dāng)處于初始化狀態(tài)時，電機(jī)從零速起動，按照設(shè)定好的啟動方式，經(jīng)過電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測和精確定位；再外同步運行，達(dá)到狀態(tài)切換條件后，電機(jī)進(jìn)入自同步運行狀態(tài)。當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極的速度達(dá)到設(shè)定值后，電機(jī)開始進(jìn)入運行狀態(tài)；在RUN狀態(tài)下，電機(jī)一直處于穩(wěn)定速度，電機(jī)在大部分情況下都處于RUN狀態(tài);當(dāng)控制器接收到停止信號之后，BLDCM進(jìn)入STOP狀態(tài)，開始降速，速度為零后運行狀態(tài)切換為空閑狀態(tài);當(dāng)運行狀態(tài)為等待錯誤狀態(tài)時，BLDCM隨即轉(zhuǎn)入IDLE狀態(tài)。

4.1.2 硬件初始化模塊

上電后，關(guān)閉中斷，立刻對芯片上各個模塊進(jìn)行初始化，在初始化的過程中，依次對UART1、ADC0、MCPWM、UTimer、GPIO、DAC、PGA、CMP進(jìn)行初始化,調(diào)用讀取電池電量的程序，進(jìn)行電量判斷，設(shè)定中斷優(yōu)先級，開始中斷。

4.2 中斷程序的設(shè)計

4.2.1 反電動勢過零檢測及換相程序

無位置傳感器控制系統(tǒng)的核心是通過反電勢過零點來檢測轉(zhuǎn)子位置的信息，準(zhǔn)確、快速的檢測到反電勢過零點是控制系統(tǒng)正常運行的前提[5]，這就要求反電勢過零點檢測具有實時性和可靠性。因此在程序中，將反電勢過零檢測設(shè)置在響應(yīng)速度最快、中斷優(yōu)先級最高的CMP中斷服務(wù)模塊中，以保證轉(zhuǎn)子位置信息的準(zhǔn)確性。

4.2.2 電壓檢測及保護(hù)程序設(shè)計

無刷直流電機(jī)采用鋰電池供電，在電機(jī)運行過程中，鋰電池需要不斷放電。為防止電池過度放電而降低電池的使用壽命，該系統(tǒng)設(shè)計欠壓保護(hù)功能，采用11.1V鋰電池作為供電電源，并設(shè)置欠壓保護(hù)值為6V，即系統(tǒng)運行過程中檢測到電源電壓低于6V，則認(rèn)為欠壓，系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的保護(hù)命令，指示燈閃爍，提示進(jìn)行充電操作。

5 總結(jié)

本文設(shè)計了無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件電路及軟件模塊。系統(tǒng)硬件以LKS32MC086N8Q8為主控芯片，重點包括控制電路、逆變電路、母線負(fù)過流檢測電路、反電動勢過零檢測等電路。由于轉(zhuǎn)子位置信號檢測電路是整個控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，通過虛擬中性點過零檢測實現(xiàn)了反電勢過零點檢測，進(jìn)而實現(xiàn)了無位置傳感器控制。系統(tǒng)軟件采用模塊化編程思想，通過C語言編程實現(xiàn)了PWM方波驅(qū)動的無位置傳感器的控制，控制程序包含主程序和中斷程序。最后，搭建了滿足吸塵器、排風(fēng)扇等應(yīng)用環(huán)境下的實驗平臺，對此控制系統(tǒng)進(jìn)行軟、硬件聯(lián)合調(diào)試，對實驗結(jié)果進(jìn)行分析，驗證了該控制系統(tǒng)的實用性，完成了對硬件電路和軟件程序的修改和完善。

本文設(shè)計的基于LKS32的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，經(jīng)過系統(tǒng)測試與分析，可以將其應(yīng)用于智能家居領(lǐng)域的吸塵器及排風(fēng)扇系統(tǒng)中，并且該系統(tǒng)具有高可靠性、高集成度，整體控制電路簡潔高效，抗干擾能力強等優(yōu)點。