劉文勇，林明耀

(東南大學，江蘇南京210096)

0 引 言

無刷直流電動機(以下簡稱BLDCM)具有結構簡單、運行可靠、機械噪聲低和調速性能好等優(yōu)點，在工業(yè)和商業(yè)領域得到廣泛應用［1］。為滿足工業(yè)要求，設計低成本、高控制精度、高可靠性能無刷直流電動機控制器具有非常重要的工業(yè)意義。dsPIC30F4011數字信號控制器(DSC)為控制電機推出的芯片，該DSC具有豐富的片上資源，且集成了DSP內核，將DSP的高效運算能力和面向電機的高效控制能力集于一體，為全數字化電機控制器設計提供了有力條件。

本文設計了以dsPIC30F4011作為控制核心的無刷直流電動機調速系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用速度電流雙閉環(huán)比例積分(PI)實現快速起動、停車、切換旋轉方向;并具有與PC機及PLC通信，實現過/欠壓、過流和過溫保護等功能。整個控制系統(tǒng)結構緊湊，功能豐富，運行可靠。實驗結果證明了該系統(tǒng)的正確性和可行性，對實際產品的開發(fā)有一定的指導意義。

1 系統(tǒng)硬件電路設計

1.1 系統(tǒng)整體方案設計

控制器總體方案如圖1所示，由24 V直流電源經由獨立全控器件MOS管組成的三相逆變橋為無刷直流電動機供電，24 V電源經過DC－DC變換轉變成15 V及5 V分別為MOSFET驅動電路、數字信號處理器dsPIC30F4011及外圍電路供電。DSC捕獲霍爾信號，獲得BLDCM換相并根據換相時間間隔計算轉速。電壓電流檢測電路把直流側電壓電流轉換成0～5 V適合A/D轉換的電壓量，并為硬件過流過壓保護電路提供信息。溫度檢測電路通過IIC方式直接發(fā)送數字溫度給DSC。為限制泵升電壓過大，設計了泵升限制電路。此外，設計了按鍵回路，控制器與PLC通信接口，并編寫了控制器與PC機異步串口通信協(xié)議，使控制電機操作可以通過按鍵、PLC、PC三種方式運行，方便了操作。

圖1 系統(tǒng)硬件結構框圖

1.2 控制電路

由于dsPIC30F4011具有豐富的片內資源，如電機控制PWM模塊、AD轉換模塊等，因此，本系統(tǒng)外圍控制電路比較簡單，主要包括直流側電壓、電流檢測電路，過壓過流保護電路，溫度檢測電路，MOS管驅動控制電路，控制器與PLC及PC機通信接口電路，24 V轉15 V及5 V電源電路，按鍵等電路。由于篇幅所限，只詳細介紹驅動電路、電流檢測及保護電路。

電機驅動電路如圖2所示，為A相驅動，B、C相驅動采用同樣電路，DSC電機PWM控制模塊驅動能力大，直流側電壓低，所以PWM模塊管腳直接與IR2101連接，不采用光耦隔離，降低了成本，減小了控制器體積。驅動芯片采用 IR公司生產的IR2101，該芯片輸入和輸出同相，最高能夠驅動直流電壓為600 V，輸入端HIN、LIN具有施密特觸發(fā)器，能夠自動屏蔽小的擾動，防止誤動作。在系統(tǒng)上電復位時，DSC的電機PWM控制模塊要設置為通用IO口，6個相關管腳均設定為低電平，可以確保在復位時不會出現橋臂直通燒壞MOS管。

圖2 BLDCM驅動電路

電流檢測電路如圖3所示。本系統(tǒng)控制方式采用二二導通方式［1］，每個電周期有6個工作狀態(tài)，每個工作狀態(tài)只有兩相導通，另一相懸空，在這種導通方式下，逆變橋直流側的電流與電機導通相繞組中電流大小相等，所以，為得到相電流反饋值和過流保護只需檢測逆變橋直流側電流。R1為電流采樣電阻，它位于逆變橋電路的下端功率橋臂(圖2中的Udc－)與地之間，把電流信號轉換成電壓信號，輸入運算放大器LMH6645。

圖3 電流檢測電路

由圖3電路結構可以計算出運算放大器輸出Vo表達式:

式中:i為直流側母線中電流。由圖3中器件參數可知Vo=0.463(0.25i+5)，以線性測量電流范圍－20～22 A，對應運放輸出Vo為0～4.8 V，適合于AD轉換和硬件保護輸入的電壓范圍。由式(1)可知只要改變電阻參數即可獲得不同線性電流測量范圍。

運放輸出Vo作為硬件過流保護電路的輸入，并且Vo經低通RC濾波器后輸到dsPIC30F4011的AD口，得到合適的數字電流信號，作為電流反饋值，用于電流環(huán)PI計算，同時數字電流信號也作為過流保護依據，軟件實現過流保護。

過壓及過流保護電路如圖4所示。電流采樣電路輸出Vo與合適的電壓進行比較，若超出比較電壓，比較器輸出低電平，dsPIC30F4011捕獲后，發(fā)出過流保護動作指令，關閉功率器件;母線電壓經電阻分壓后，輸入到AD端口，且輸入過壓保護電路，與參考電壓比較后，輸出接至DSC，判斷是否發(fā)生過壓事件。同時AD采樣對端電壓進行轉換，與欠/過壓保護設定值比較，軟件實現保護。

圖4 過流過壓保護電路

2 雙閉環(huán)控制策略實現

為使控制系統(tǒng)獲得良好動穩(wěn)態(tài)特性，須采用速度、電流雙閉環(huán)的控制策略［2］，控制策略框圖如圖5所示。速度外環(huán)與電流內環(huán)均采用比例積分(PI)控制，兩個PI調節(jié)器均通過軟件實現，所以靈活性強，精確度高。在本系統(tǒng)中采用異步采樣方式，即速度外環(huán)采樣周期是電流內環(huán)采樣周期的倍數。

圖5 系統(tǒng)控制策略框圖

2.1 轉速與電流獲取

本系統(tǒng)中通過霍爾傳感器進行換相，采用定時器記錄換相時間，通過計算獲取電機轉速。針對dsPIC30F4011，在第1次進入霍爾捕獲中斷時，起動16位定時器Timer1，當電機旋轉一個電周期，第7次進入霍爾捕獲中斷時，讀取Timer1數值，并復位Timer1計數寄存器?？赏ㄟ^下式計算轉速:

式中:f為定時器的計數頻率;p為電機極對數;timer為定時器Timer1計數值。由速度獲取方式可知速度采樣的周期不固定，但由實驗結果知，并不影響實際控制效果。

電流值通過AD多次采樣轉換，取平均以后，作為電流內環(huán)的電流反饋值。AD采樣是由DSC的定時器Timer3觸發(fā)起動，設定合理的Timer3周期值觸發(fā)電流采樣，計算PWM占空比，可以獲得良好的動態(tài)響應。

2.2 轉速電流PI計算實現

控制系統(tǒng)轉速外環(huán)實現對轉速控制，電流內環(huán)實現電流控制。參考轉速與實際轉速差值通過比例積分算法后，作為電流參考，通過式(3)實現;電流參考值與電流反饋差值，經比例積分算法后，作為新的占空比，對電機進行調速，通過式(4)實現。

式中:Irefk為電流參考值;KP為速度比例系數;KI為速度積分系數;ek為第k次采樣時速度誤差。

式中:PWMk為下一個占空比;KiP電流比例系數;KiI電流積分系數;eik為第k次采樣時電流誤差。在實際控制電機時，通過積分限幅和輸出限幅，可有效地減小超調。為了使控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定，當速度采樣誤差和電流采樣誤差小于某設定閥值時，就可以認為當前次誤差為零，這樣可以避免一些小的擾動引起的系統(tǒng)震蕩。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件主要包括主程序、霍爾信號捕獲中斷程序、AD采樣中斷程序、IIC通信程序及電機制動程序。

主程序主要包括各種全局變量的宏定義、電機PWM控制模塊、霍爾捕獲、AD、IIC模塊、IO口、UART等系統(tǒng)初始化，并實現與PC機及PLC通信、變換旋轉方向、電機制動等功能?；魻柌东@中斷程序主要實現電機換相、獲取電機實際轉速、計算速度環(huán)PI值功能，修改向PC機發(fā)送速度標志等。AD采樣中斷程序主要實現將直流側電壓、電流轉換成數字量，計算電流環(huán)PI，并在軟件中實現過流及欠/過壓保護和限制泵升電壓過大，修改向PC機發(fā)送電流標志等功能。IIC通信程序實現控制系統(tǒng)的數字溫度傳輸及溫度保護功能。電機制動程序實現能量回饋制動［3－4］、快速停機的功能。由于篇幅有限，只給出主程序流程圖，如圖6所示。

4 實驗結果及分析

該控制系統(tǒng)通過對一臺額定功率80 W、額定電壓24 V、額定電流5 A、額定轉速3 000 r/min無刷直流電動機樣機進行實驗。實驗波形通過UART串口通信，由PC機記錄數畫圖得到。

圖6 系統(tǒng)主流程圖

圖7a、圖7b分別為空載條件下參考速度從100 r/min經過5次階躍變化到3 000 r/min時，實際轉速和直流側電流變化曲線圖。參考速度的變化是由PC機通過UART通信發(fā)送指令給控制器實現。從圖中可以看出，在空載條件，超調最大2%，最大調節(jié)時間0.83 s，說明電機轉速能夠平滑、快速地跟隨參考速度變化。

圖7 參考轉速變化時實驗波形

圖8、圖9分別為參考速度n*為1 500 r/min和3 000 r/min時在負載改變的情況下實際轉速和直流側電流變化曲線圖。從圖中可知，在負載發(fā)生變化時，轉速會產生波動，增加負載時轉速產生短暫的下降，突然卸載時轉速突然增加，但都能很快過渡到穩(wěn)態(tài)并達到參考速度，n*為1 500 r/min最長過渡時間為0.15 s，系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。

圖8 n*=1 500 r/min，負載變化時的實驗波形

從實驗結果可知，該控制系統(tǒng)具有良好的動態(tài)響應性能，能夠快速達到參考速度，且超調小，穩(wěn)態(tài)時轉速誤差可以控制在0.3%內，具有良好的穩(wěn)態(tài)性能。該控制系統(tǒng)達到了期望目標，對工業(yè)產品的開發(fā)有一定的指導意義。

圖9 n*=3 000 r/min，負載變化時的實驗波形

5 結 語

以數字信號控制器dsPIC30F4011為主控芯片，采用速度電流雙閉環(huán)比例積分控制策略，設計了一套無刷直流電動機控制器。充分利用了DSC的片內資源，在實現各種功能的同時，簡化了控制系統(tǒng)硬件電路，大大節(jié)省了成本，減小了控制器體積，提高了可靠性。采用速度、電流雙閉環(huán)PI調速，實現了對轉速和轉矩的控制。實驗結果表明，該控制系統(tǒng)設計正確可行，并具有良好的動穩(wěn)態(tài)性能。

［1]孫建忠，白鳳仙.特種電機及其控制［M］.北京:中國水利水電出版社，2005.

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［3]趙航飛，張舟云.永磁無刷電動機能量回饋制動調制方式比較［J］.微特電機，2005(9):21－24.

［4]黃斐梨，王耀明.電動汽車永磁無刷直流電機驅動系統(tǒng)低速能量回饋制動的研究［J］.電工技術學報，1995(3):28－36.