馬文寧，李 彥

（西安翻譯學(xué)院 陜西 西安 710105）

無刷直流電動機不僅繼承了直流電動機調(diào)速和啟動特性好，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大的優(yōu)點，而且由于利用電子開關(guān)線路和位置傳感器代替了換向器電刷裝置，使得電動機的結(jié)構(gòu)大大簡化，電機的精度、性能和可靠性也都有了很大提高，因此，無刷直流電動機應(yīng)用十分廣泛，尤其是在高級電子設(shè)備、機器人、航空航天技術(shù)、數(shù)控裝置、醫(yī)療化工等高新領(lǐng)域[1]，對無刷電機的控制系統(tǒng)設(shè)計的研究也具有重要意義。

1 無刷直流電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理

無刷直流電動機由三部分組成，分別是電動機、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子開關(guān)線路，它的原理圖如圖1所示，直流電源通過開關(guān)線路向電動機定子繞組供電，電動機轉(zhuǎn)子位置傳感器可檢測到轉(zhuǎn)子位置并提供相應(yīng)信號去觸發(fā)開關(guān)線路中的功率開關(guān)元件使之導(dǎo)通或關(guān)斷，從而控制電動機的轉(zhuǎn)動。

圖1 無刷直流電動機的原理框圖Fig.1 Schematics of the BLDCmotor system

無刷直流電動機的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中電動機本體是由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，定子是電動機的電樞，定子鐵心中安放著對稱的多相繞組，可接成星形或封閉形，各項繞組分別與電子開關(guān)線路中的相應(yīng)晶體管相連接。電子開關(guān)線路有橋式和非橋式兩種。轉(zhuǎn)子是由永磁材料制成的有一定極對數(shù)的永磁體，主要有凸極式和內(nèi)嵌式兩種。位置傳感器是電機系統(tǒng)的重要部件，其作用是檢測轉(zhuǎn)子磁場相對于定子繞組的位置，常見的位置傳感器有電磁式、光電式和霍爾元件。

圖2 無刷直流電動機的基本結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure diagram of the BLDC motor system

本文中的無刷直流電機采用三相星形橋式接法，如圖3所示。

圖3 無刷直流電機三相星形橋式接法Fig.3 Three-phase Wye bridge connection of the BLDCmotor system

通過控制晶體管的通斷，給定子繞組加電，每一時刻有兩相繞組導(dǎo)通，另一相繞組斷開，從而產(chǎn)生不同方向的定子磁場，若定子磁場的方向超前轉(zhuǎn)子磁場90°電角度，則定子磁場對轉(zhuǎn)子磁場產(chǎn)生正的電磁轉(zhuǎn)矩，電機正轉(zhuǎn)。若電子磁場的方向滯后轉(zhuǎn)子磁場90°電角度，電機反轉(zhuǎn)。要使電機能夠同步運行并產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，需要保持定子磁場與轉(zhuǎn)子磁場在空間上的相對靜止，使得產(chǎn)生的定子磁場的方向根據(jù)轉(zhuǎn)子位置的變化而變化。所以，轉(zhuǎn)子磁場的方向是連續(xù)變化的，而定子磁場的方向是跳躍的。

轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動一周的時間里，轉(zhuǎn)子位置傳感器把每一時刻轉(zhuǎn)子的位置信號送到控制器中，控制器由此控制晶體管的導(dǎo)通和關(guān)斷，使定子三相繞組的其中兩相導(dǎo)通，產(chǎn)生相應(yīng)的定子磁場，因此，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，定子磁場的方向會相應(yīng)的改變6次，以保證定子磁場的方向和轉(zhuǎn)子磁場方向相對靜止。

電樞繞組電流的跳變使得定子磁場是跳變的，但是轉(zhuǎn)子磁勢是連續(xù)變化的，這兩個磁勢的平均速度相等，具有恒定的平均電磁轉(zhuǎn)矩，但是瞬時電磁轉(zhuǎn)矩與速度是不相等的，因此存在轉(zhuǎn)矩脈動分量[2]。

從以上無刷直流電動機的轉(zhuǎn)動原理可知，電機的轉(zhuǎn)動過程中，通過控制6個MOSFET構(gòu)成的三相橋式逆變器為電樞供電，當(dāng)兩項導(dǎo)通時，另一項斷開。在一個周期內(nèi)，無刷直流電動機內(nèi)的位置傳感器輸出6種有效的狀態(tài)，分別對應(yīng)轉(zhuǎn)子的不同位置。再結(jié)合換向邏輯，對連接到三相定子繞組的逆變器的6個MOSFET進行開關(guān)控制，使三相定子繞組按照一定順序依次通電，以滿足轉(zhuǎn)矩角要求，使轉(zhuǎn)子能在持續(xù)平穩(wěn)的磁場中轉(zhuǎn)動。電機的轉(zhuǎn)速可以通過調(diào)節(jié)定子繞組的輸入電壓的平均值實現(xiàn)，因此可采用PWM調(diào)節(jié)控制。

2 無刷直流電動機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)采用雙閉環(huán)的控制策略，如圖4所示，外環(huán)為速度環(huán)，由電機位置檢測得到的信號經(jīng)控制器計算得出轉(zhuǎn)速，與給定轉(zhuǎn)速相比得出差值，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)得到下一步的電流值。內(nèi)環(huán)是電流環(huán)，根據(jù)檢測得到的反饋電流信號與給定的電流信號比較，其差值通過一定的PID算法，得到新的參考電流，去控制下一步的PWM占空比[3]。

圖4 無刷直流電動機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)Fig.4 Double-loop control system of the BLDCmotor system

電機的控制系統(tǒng)的控制器選用LPC2210[4]，LPC2210采用ARM7TDMI內(nèi)核[5-6]，低功耗，可以運行多任務(wù)實時操作系統(tǒng)（如uC/OS-Ⅱ）具有6個單邊沿控制 （或3個雙邊沿控制）PWM輸出，8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，2個32位定時器，分別具有3路和4路32位的捕獲通道[7]。電機控制原理圖如圖5所示。電機控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)包括以下幾個部分。

圖5 電機控制原理圖Fig.5 Schematics of the BLDCmotor control system

1）驅(qū)動電路，LPC2210控制器輸出PWM信號需要經(jīng)過信號放大再去驅(qū)動逆變器，驅(qū)動電路采用IR2130，其偏置電壓可達到600 V，驅(qū)動電流200~420 mA，而且6路驅(qū)動只需要1個+15~20 V直流電壓電源，功率開關(guān)管選用IRG4PH40K，它是N溝道增強型IGBT。為了使電路有良好的電磁兼容使用光耦隔離器TLP521，它是三路位置信號的光耦隔離。

霍爾元件根據(jù)轉(zhuǎn)子現(xiàn)在所處的位置發(fā)出的位置狀態(tài)信息，LPC2210接收到位置信息后，發(fā)出相應(yīng)電樞電流換向信號，經(jīng)過光藕隔離，電樞電流換向信號經(jīng)過驅(qū)動電路再去驅(qū)動功率管，而功率管的負載就是無刷直流電動機的電樞了，這樣電樞電流換向信號就可以控制加到無刷直流電動機的電樞電壓和電流，這時電樞產(chǎn)生的磁勢和轉(zhuǎn)子永磁磁場產(chǎn)生的磁勢相互作用使轉(zhuǎn)子不停的旋轉(zhuǎn)[8]。

2）保護電路，全橋逆變器中最害怕的是逆變器的上下橋臂同時導(dǎo)通，這時驅(qū)動電路就處于短路狀態(tài)，橋臂上驅(qū)動功率管會因為電流過大而瞬間燒毀，所以在設(shè)計驅(qū)動電路方面，在這個閉環(huán)控制系統(tǒng)中加入了一個電流反饋電路，對功率管電流進行監(jiān)測，若電機在運行過程中出現(xiàn)電流過大，LPC2210處理器通過A/D采集到這個信號后馬上禁止PWM輸出，使逆變器的上下橋臂就處于關(guān)斷狀態(tài)。同時，根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換，可以實時監(jiān)測每一相電樞電流，相應(yīng)調(diào)整PWM輸出的占空比可以達到調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的目的。

3）轉(zhuǎn)子位置檢測。在一個周期內(nèi)，無刷直流電動機內(nèi)的位置傳感器輸出6種有效的狀態(tài)，分別對應(yīng)轉(zhuǎn)子的不同位置。轉(zhuǎn)換成換向邏輯，LPC2210的GPIO口通過讀取換向邏輯知道轉(zhuǎn)子的位置。當(dāng)輸入信號跳變時，LPC2210的定時器可選擇使捕獲事件產(chǎn)生中斷，而進行中斷處理換向。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)使用uC/OS-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)，本系統(tǒng)代碼精簡，可移植性好，多任務(wù)，搶先式，很適合做電機控制。

中斷服務(wù)程序是軟件設(shè)計的重點，主要包括獲取轉(zhuǎn)子位置信息（電樞電流換向），對電樞電流的采樣，輸出PWM信號以及過電流保護程序。

1）通過讀取連接電機位置傳感器的LPC2210 GPIO口可以獲得轉(zhuǎn)子的位置信息，當(dāng)IO口的當(dāng)前狀態(tài)和前一讀取的狀態(tài)一樣，說明電樞電流的方向還不需要改變，保持PWM信號輸出不變。當(dāng)IO口的當(dāng)前狀態(tài)發(fā)生了變化，就需要改變電樞電流的方向了，LPC2210的定時器可以捕獲輸入霍爾傳感器的信號而產(chǎn)生換向處理中斷。

2）通過電流傳感器獲取電樞電流大小，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，控制器通過把轉(zhuǎn)換值與設(shè)定值比較，若電流比預(yù)定的大就要減小輸出PWM信號占空比的值，反之就要增大占空比的值，若電流大小超過的電樞電流的極限值，就產(chǎn)生最高級別的中斷申請，禁止PWM輸出，起到保護驅(qū)動電路的目的。

系統(tǒng)軟件主程序主要完成系統(tǒng)初始化和雙閉環(huán)PI參數(shù)的設(shè)定，電機轉(zhuǎn)速計算和電機啟動停止控制等功能。主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序軟件流程圖Fig.6 Flow chart of the main software design

4 結(jié)束語

以LPC2210芯片為核心的無刷直流電動機控制系統(tǒng)，硬件電路簡單可靠，采用不同優(yōu)先級的中斷服務(wù)，保證了電機工作實時性和可靠性?；趗C/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)的支持，本控制系統(tǒng)具有良好的擴展性，可根據(jù)需要創(chuàng)建新任務(wù)。同時軟件設(shè)計的通用性良好，只需修改與硬件相關(guān)的少許代碼，就可以應(yīng)用到不同的處理器中。

[1]張琛.直流無刷電動機原理及應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[2]姚光中.無刷直流電動機的轉(zhuǎn)矩脈動[J].電機技術(shù)，1999（4）：6-10.YAO Guang-zhong.Torque ripples in brushless DC motor[J].Electrical Machinery Technology，1999（4）：6-10.

[3]陶永華.新型PID控制及其應(yīng)用[M].機械工業(yè)出版社，2002.[4]周立功.ARM微控制器基礎(chǔ)與實踐[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[5]劉遠東，劉林，張瑞秋.基于ARM9的直流電機PID控制實驗系統(tǒng)[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2011（2）：88-90.LIU Yuan-dong，LIU Lin，ZHANG Rui-qiu.Experimental system of controlling DC motor with PID method based on ARM9[J].Industrial Instrumentation&Automation，2011（2）：88-90.

[6]李軍軍，王世明，黃有方，等.差分進化算法用于帶輔助臂的NPC逆變器PWM調(diào)制[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2013（3）：3-7.LI Jun-jun，WANG Shi-ming，HUANG You-fang，et al.PWM modulation of NPC inverter with auxiliary arm using differential evolution algorithm[J].Industrial Instrumentation&Automation，2013（3）：3-7.

[7]徐錫勝.電機控制芯片性能比較與選型參考 [J].微特電機，2002 （6）：26-29.XU Xi-sheng.A performance comparison and selection of motor control IC[J].Small&Special Electrical Machine，2002（6）：26-29.

[8]Joon-Hwan Lee，Sung-Chan Ahn，Dong-seok Hyun.A BLDCM Driver with Trapezoidal Back EMF Using Four-Swith Three Phase Inverter[C]//In Conf.Rec.Industy Applications Conference，2000：1705-1709.