一種直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)與仿真

鄭鵬飛，侯哲生，白又丹，車文碩

（吉林化工學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院，吉林吉林，132022）

0 引言

隨著工業(yè)發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步，無刷直流電機(jī)憑借著效率高、磨損低、安靜便捷以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，使其應(yīng)用遍及社會(huì)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，比如洗衣機(jī)、空調(diào)、計(jì)算機(jī)外圍電子設(shè)備中被廣泛應(yīng)用，除此之外，工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中也涉及許多無刷直流電機(jī)，比如造紙，紡織以及全自動(dòng)生產(chǎn)線[1][2]。

本文以無刷直流電機(jī)為控制對(duì)象，STM32F407 控制器為控制核心，配合DRV8303CAR 驅(qū)動(dòng)芯片和三相逆變電路驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的啟停和速度調(diào)制，并提供一種有效的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制解決方案，對(duì)其控制系統(tǒng)的軟件與硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并結(jié)合Simulink 仿真平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本方案的可行性，為實(shí)際應(yīng)用提供了一定的依據(jù)和保證。

1 FOC 控制原理

如圖1 所示，對(duì)電機(jī)三相電流進(jìn)行采樣即ia,ib,ic，通過 Clarke 變換三相電流可以由自然坐標(biāo)系下永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型得到正交坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，從而得到iα和iβ。

圖1 永磁同步電機(jī)簡(jiǎn)要驅(qū)動(dòng)控制框圖[4]

Clarke 變換方程：

將iα和iβ經(jīng)過Park 變換將正交坐標(biāo)系變換為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系并得到電流實(shí)際值id和iq?，為轉(zhuǎn)子實(shí)時(shí)角度。

Park 變換方程：

計(jì)算電流實(shí)際值id和iq與電流設(shè)定值id?和iq?的誤差，把誤差放入PID 控制器，經(jīng)過PID 控制器調(diào)節(jié)得出電壓指令值Ud?和Uq?，并將電壓指令值Ud?和Uq?進(jìn)行反Park 坐標(biāo)變換獲得電壓值Uα?和Uβ?并合成電壓矢量，空間矢量脈寬調(diào)制模塊對(duì)電壓矢量進(jìn)行扇區(qū)判斷，然后計(jì)算相鄰矢量作用時(shí)間，最后通過三相橋功率器件通斷的方式產(chǎn)生 PWM 信號(hào)控制逆變器驅(qū)動(dòng)電機(jī)[3]。

2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

■2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

如圖2 所示，電機(jī)控制系統(tǒng)主要包括由電源管理電路、控制核心STM32F407 單片機(jī)、檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的霍爾傳感器、三相逆變電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片組成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路及其驅(qū)動(dòng)對(duì)象直流無刷電機(jī)[5]。

圖2 控制器的系統(tǒng)硬件架構(gòu)

■2.2 驅(qū)動(dòng)電路

采用TI 公司的一款專門用于三相電機(jī)的柵極驅(qū)動(dòng)器DRV8303CAR 作為驅(qū)動(dòng)芯片，以及使用6 個(gè)BUK436-100B型號(hào)N-MOS 管來搭建三相全橋電路。DRV8303 集成有三組用于驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管的半橋驅(qū)動(dòng)器，兩組用于測(cè)量三相電流的分流放大器。此芯片最高支持1.7A 柵極驅(qū)動(dòng)電流和2.3A峰值電流。DRV8303 的電壓范圍為6V～60V。電路原理圖如圖3 所示。

圖3 DRV8303 驅(qū)動(dòng)器電路原理圖

DRV8303 的INH_A、INL_A等三組引腳接收STM32F407 發(fā)送的PWM 信號(hào)，對(duì)PWM 信號(hào)進(jìn)行電壓和功率的放大。三相逆變電路如圖4 所示，DRV8303 將電壓和功率的放大后的PWM 信號(hào)通過GH_A、GL_A、GH_B、GL_B、GH_C、GL_C 控制6 個(gè)型號(hào)為BUK436-100B 的N-MOS 管從而控制上下橋臂的通斷，將直流電源轉(zhuǎn)換為可以變頻變壓的U、V、W 三相交流電源，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)并起到電氣隔離的作用。另外nOCTW和nFAULT分別為過流、過溫指示和錯(cuò)誤報(bào)告指示，接上拉電阻；DTC 為死區(qū)調(diào)節(jié)時(shí)間引腳，死區(qū)時(shí)間由外接電阻阻值決定；DRV8303 SPI在從模式下運(yùn)行，引腳包括nSCS，SDI，SDO，SCLK；DC_CAL 的功能是給內(nèi)部分流放大器作偏移校正；GVDD 為內(nèi)部柵極驅(qū)動(dòng)器自主升壓供電；REF 提供分流放大器輸出的基準(zhǔn)電壓；EN_GATE 的功能是驅(qū)動(dòng)芯片使能，準(zhǔn)備開始工作；兩組SN、SP 引腳為內(nèi)部集成的兩個(gè)分流放大器的輸入引腳，兩組SO 引腳為輸出引腳，兩組分流放大器可以測(cè)得三相電流中的U、V 兩組交流電，W 組交流電可以憑借U、V 兩組通過基爾霍夫定律計(jì)算獲得，形成電流環(huán)[6]，設(shè)計(jì)電路時(shí)在下半橋臂串聯(lián)采樣電阻R18 與R19，電容C12 與C13 作用是進(jìn)行電流濾波。

圖4 三相逆變電路原理圖

■2.3 位置檢測(cè)電路

圖5 為位置檢測(cè)電路，通過一只三維的霍爾傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置并以此計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速，霍爾傳感器通過VCC 提供+5V供電，并且為上拉電路，R20 與 C16，R21 與 C17，R22 與 C18 組成了 R C 濾波器，目的是濾除干擾信號(hào)。三維霍爾傳感器的三個(gè)信號(hào)分別為 HELLA，HELLB，HELLC，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周為一個(gè)信號(hào)周期，每個(gè)信號(hào)周期平均分為六個(gè)扇區(qū)，一個(gè)扇區(qū)為60°，傳感器信號(hào)的電平均用0 和1 表示，每個(gè)扇區(qū)都有一個(gè)傳感器信號(hào)發(fā)生電平跳變，每個(gè)周期內(nèi)3 只霍爾傳感器的電平信號(hào)組合分別為 001，101，100，110，010 和011，可以看出每個(gè)扇區(qū)信號(hào)組合都是不盡相同的[7]。所以我們可以根據(jù)電平信號(hào)得知轉(zhuǎn)子的位置，我們可以根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)扇區(qū)的時(shí)間來計(jì)算轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的實(shí)時(shí)速度[8]。然后STM32F407 單片機(jī)將位置信號(hào)捕獲，根據(jù)反饋的位置信號(hào)發(fā)送對(duì)應(yīng)觸發(fā)信號(hào)給DRV8303，從而控制N-MOS 管的通斷。

圖5 位置檢測(cè)電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

■3.1 系統(tǒng)主程序的設(shè)計(jì)

如圖6 所示，主程序首先對(duì)系統(tǒng)、延時(shí)、ADC、串口等各項(xiàng)功能進(jìn)行初始化，然后按照順序啟動(dòng)電機(jī)，開啟中斷與定時(shí)器，當(dāng)遇見中斷請(qǐng)求時(shí)停止主程序運(yùn)行優(yōu)先運(yùn)行中斷程序，跳出中斷程序后主程序繼續(xù)運(yùn)行，以此循環(huán)。

圖6 主程序流程圖

■3.2 系統(tǒng)中斷處理程序的設(shè)計(jì)

中斷處理程序功能主要包括電流A/D 采樣以及霍爾信號(hào)的采樣，轉(zhuǎn)速環(huán)與速度環(huán)的控制，PWM 輸出等。電流A/D 采樣是為了保證能夠精準(zhǔn)的接收電流反饋，從而穩(wěn)定控制輸出電流即電機(jī)扭矩，霍爾信號(hào)捕獲是為了保證精準(zhǔn)的確定轉(zhuǎn)子位置和速度從而保證實(shí)現(xiàn)速度環(huán)閉環(huán)控制。

當(dāng)暫停主程序循環(huán)進(jìn)入中斷后，保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)同時(shí)進(jìn)行電流A/D 采樣以及讀取霍爾傳感器的轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速信息；完成相關(guān)信息采集之后就是對(duì)采集電流信息分別進(jìn)行Clarke 變換和Park 變換；將霍爾傳感器讀取的轉(zhuǎn)速信息與設(shè)定轉(zhuǎn)速對(duì)比獲得誤差，通過PI 控制器進(jìn)行速度調(diào)節(jié)得到電流設(shè)定值和；通過Park 變換得到電壓指令值和，最后通過SVPWM 模塊計(jì)算，更新PWM 占空比產(chǎn)生新的調(diào)制波形，中斷子程序流程如圖7 所示。

圖7 中斷子程序流程圖

4 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

■4.1 仿真模型的搭建

如圖8 所示，本節(jié)在 MATLAB/Simulink 中對(duì)這幾個(gè)電流分配策略進(jìn)行建模仿真對(duì)比分析。整個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)的模型如圖，主要包括永磁同步電機(jī)、逆變器、三個(gè)坐標(biāo)系變換模塊以及空間矢量脈寬調(diào)制模塊，永磁同步電機(jī)和逆變器使用 Simulink 庫中的自帶模塊，輸入實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)。下面主要對(duì) SVPWM 模型和電流控制策略模型的搭建進(jìn)行介紹。[9]

圖8 無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)仿真模型

■4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

首先，模型給定轉(zhuǎn)速初始給定為1000r/min，從仿真結(jié)果轉(zhuǎn)速波形圖9(a)、電磁轉(zhuǎn)矩波形圖9(b)、定子電流波形圖9(c)可以看到，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的定子電流和電磁轉(zhuǎn)矩的數(shù)值都比較大，所以響應(yīng)速度很快，電機(jī)能夠在0.03s 左右快速達(dá)到給定轉(zhuǎn)速并保持穩(wěn)定；0.2s 時(shí)加入20N.m的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)出現(xiàn)小幅度降落，并在10ms 內(nèi)恢復(fù)；0.3s時(shí)減速至800r/min 電機(jī)能在0.01s 左右快速達(dá)到給定轉(zhuǎn)速并保持穩(wěn)定[10]。

圖9 仿真結(jié)果圖

5 結(jié)論

通過STM32F407 芯片與 DRV8303 芯片并結(jié)合 FOC 控制原理設(shè)計(jì)了一款電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，硬件控制芯片應(yīng)用廣泛，軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單方便進(jìn)一步應(yīng)用與開發(fā)；根據(jù)FOC 控制原理設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路、主程序以及中斷子程序等；搭建仿真模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，仿真實(shí)驗(yàn)中電機(jī)運(yùn)行及調(diào)速性能良好，符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果預(yù)期，進(jìn)一步證明該直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案具有可行性。