基于A(yíng)RM的全數字雙閉環(huán)無(wú)刷直流電動(dòng)機控制系統設計

傳統的直流電機具有運行效率高、調速性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)因而在工業(yè)傳動(dòng)中占據著(zhù)重要的地位，但其本身固有的機械換相器和電刷導致了電機容量有限、噪音大、容易產(chǎn)生火花和可靠性差等缺點(diǎn)。隨著(zhù)計算機技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，無(wú)刷直流電動(dòng)機用位置傳感器和電子換相器取代了有刷直流電動(dòng)機的電刷和機械換向器，同時(shí)很好的保持了傳統直流電機的優(yōu)點(diǎn)且具有比有刷直流電機更高的運行效率。因此直流無(wú)刷電機一經(jīng)產(chǎn)生就在工業(yè)生產(chǎn)中取得了廣泛的應用，尤其在節能減排已成為時(shí)代主題的今天，無(wú)刷直流電機高效率的特點(diǎn)更顯示了其巨大的應用價(jià)值。

1 全數字雙閉環(huán)直流調速系統簡(jiǎn)介

在穩態(tài)的情況下，直流電動(dòng)機僅僅采用單閉環(huán)轉速PI調節就可以在保證直流調速非常系統穩定的前提下實(shí)現轉速沒(méi)有靜差，即輸出完全跟隨輸入。但在快速起制動(dòng)、抗干擾能力強等控制系統對動(dòng)態(tài)性能要求較高時(shí)，因電動(dòng)機在單閉環(huán)系統中電流和轉矩的動(dòng)態(tài)過(guò)程不能得到及時(shí)有效的控制，因而需在控制系統中設置一個(gè)電流調節環(huán)用于調節電流。所以控制系統中有轉速調節環(huán)、電流調節環(huán)兩個(gè)調節環(huán)，且這兩個(gè)調節環(huán)之間實(shí)行嵌套連接。圖1及圖2分別為模擬控制與全數字控制下雙閉環(huán)控制系統的結構框圖和雙閉環(huán)直流調速系統結構框圖。

2 控制系統整體構成

全數字雙閉環(huán)無(wú)刷直流電動(dòng)機控制系統主要由ARM嵌入式處理器、LCD觸摸屏、光電耦合電路、驅動(dòng)電路、逆變電路、電流檢測電路、直流無(wú)刷電機位置信號檢測環(huán)節以及控制電路組成。

本設計中的ARM處理器為其內核為Atmel公司的ARM9系列32位CPU AT91SAM9261S，它采用5級整數流水線(xiàn)，主頻最高可達300MIPS，支持Windows CE、Linux、Palm OS等多種主流嵌入式操作系統，在工業(yè)控制、檢測設備和儀器儀表等需要高速數字信號處理的場(chǎng)合運用非常廣泛。

無(wú)刷直流電機控制系統整體框圖如圖3所示。當系統處在運行狀態(tài)時(shí)，通過(guò)電阻給定轉速信號，并經(jīng)觸摸屏實(shí)時(shí)顯示及P、I參數設定，發(fā)出運行指令(如起動(dòng)、正轉、制動(dòng))。根據霍爾傳感器檢測到的電機位置信號控制換相，并計算電動(dòng)機的轉速來(lái)改變控制器的輸出信號，從而調整電機的運行狀態(tài)。電流檢測環(huán)節主要是實(shí)現轉速、電流雙閉環(huán)控制和過(guò)流保護，從外部檢測到的電流信號經(jīng)過(guò)采樣后，經(jīng)放大、濾波送到A/D轉換器進(jìn)行模數轉換，控制單元根據檢測到的電流大小來(lái)調整電流調節器的輸出。當出現過(guò)流故障時(shí)，電流檢測電路會(huì )發(fā)出故障指示信號，送入ARM處理器進(jìn)行處理。

3 硬件各模塊設計

3.1 光耦隔離電路

控制信號一般為10～20 kHz左右的PWM波，為了減少電磁干擾對ARM處理器的影響，需采用高速光耦進(jìn)行隔離、整形和電平轉換。本設計采用6N137光耦，開(kāi)關(guān)時(shí)間最大75 ns，光耦隔離電路如圖4所示。

3.2 逆變電路

功率逆變電路采用三相星形全橋逆變電路，如圖5所示。由6只IRF530N MOOSFET構成三相逆變橋，其中每只MOSFET功率管兩端反并聯(lián)一只二極管，用于續流和緩沖。低側三只MOSFET管并聯(lián)后串接一個(gè)小電阻Rs用作電流采樣。

3.3 位置及速度檢測

本設計中直流無(wú)刷電機位置信號的檢測采用霍爾位置傳感器，即無(wú)刷直流電動(dòng)機自帶的位置傳感器，其輸出側通常采用漏極開(kāi)路，所以必須在它的輸出上接上相應的上拉電阻。

根據式1計算出兩次換相間隔期間的平均角速度，然后在軟件程序中換算成r/min，或直接根據△t計算出多少r/min。

△t一般較小，可以通過(guò)采樣對PWM波計數的方式來(lái)確定△t。

3.4 電流檢測與保護電路

電流檢測與保護電路如圖6所示。IR2130帶有電流電流放大器和過(guò)流輸入保護環(huán)節，可以對電流采集信號進(jìn)行放大。當過(guò)電流發(fā)生時(shí)，送到過(guò)電流檢測引腳的電壓高于0.5 V，此時(shí)R2130內部的過(guò)電流比較器迅速翻轉，邏輯故障處理單元輸出低電平，六路輸入信號被鎖存，管腳輸出故障指示，故障時(shí)輸出為低電平，六路輸出驅動(dòng)信號全為低電平，功率管進(jìn)入全關(guān)斷狀態(tài)，使器件得到保護。欠壓保護的工作過(guò)程與過(guò)流保護的工作過(guò)程類(lèi)似。

4 控制系統軟件設計

電機換相控制程序砑有2種設計方法，電機轉速不高和電機轉速較高。當電機轉速不高時(shí)，換相周期較長(cháng)，PWM周期遠高于電機換相周期，這樣可在每一個(gè)PWM周期對霍爾信號輸入進(jìn)行查詢(xún)，判斷是否需要換相，并設定一個(gè)計數器記錄兩次換相期間的PWM周期數用于計算轉速。當電機轉速較高時(shí)，兩次換相期間相隔PWM周期數不多，查詢(xún)換相的方法會(huì )導致?lián)Q相不及時(shí)且影響轉速計算精度，需通過(guò)中斷的方法進(jìn)行換相，在需要速度調節時(shí)直接通過(guò)中斷接口函數讀取速度值。在應用程序中加入中斷響應事件消息響應函數，若中斷發(fā)生，則進(jìn)入中斷子程序并設置相應故障參數?？刂葡到y主程序流程圖如圖7所示。

5 結束語(yǔ)

無(wú)刷直流電動(dòng)機用位置傳感器和電子換相器取代了電刷和機械換向器，有效降低了噪音，避免了火花的產(chǎn)生，提高了控制系統可靠性。本設計對全數字雙閉環(huán)無(wú)刷直流電動(dòng)機的控制系統的軟、硬件都做了詳細介紹，以ARM為主處理器使得整個(gè)系統的運行效率更高、性能更穩定。實(shí)驗室模擬結果表明，該系統具有較好的控制可靠性、良好的動(dòng)態(tài)性能及系統穩定性。