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        基于LPC2132的無刷直流電機控制系統(tǒng)設計

        2014-06-09 12:33:05劉雄
        關鍵詞:直流電機定子動機

        劉雄

        (中國煤炭科工集團 太原研究院,山西 太原 030006)

        基于LPC2132的無刷直流電機控制系統(tǒng)設計

        劉雄

        (中國煤炭科工集團 太原研究院,山西 太原 030006)

        簡述了無刷直流電機的主要特點,介紹了基于LPC2132的無刷直流電機控制系統(tǒng)的設計制作過程及特點。對硬件設計及軟件設計中應注意的幾個問題進行了討論。控制系統(tǒng)代碼精簡,運行快速、可靠。實驗證明,使用無位置傳感器的方法對無刷直流電機進行監(jiān)測和控制,能達到良好的運行效果,具有一定的推廣價值。

        無刷直流電機;無位置傳感器;閉環(huán);反饋

        0 引言

        無刷直流電機(Brushless DC Motor,BLDCM)是近年來迅速成熟起來的一種新型的機電一體化產品。它以電子換向取代了傳統(tǒng)直流電動機由換向器和電刷組成的機械換相結構,具有直流電動機優(yōu)良的啟動和調速特性(啟動轉矩大、啟動電流小、調速范圍寬)。同時無刷直流電動機又具備交流電動機結構簡單、運行可靠、維護方便等優(yōu)點。

        該電機由定子、轉子和轉子位置檢測元件霍爾傳感器等組成,由于沒有勵磁裝置,效率高、結構簡單、工作特性優(yōu)良,而且具有體積更小、可靠性更高、控制更容易、應用范圍更廣泛、制造維護更方便等優(yōu)點,使無刷電機的研究具有重大意義。

        傳統(tǒng)的無刷直流電機驅動需在電機軸上安裝位置傳感器,而它的存在給無刷直流電機的應用帶來了一些缺陷和不便,在增加成本的同時降低了系統(tǒng)的可靠性,并且在某些場合由于傳感器的限制而無法得到應用。無位置傳感器電機比有位置傳感器電機在適用范圍上更為廣泛。

        1 無刷直流電機的基本原理

        無刷直流電機的原理很簡單即:當給內置霍耳傳感器接通電源時,這些霍耳傳感器將信號輸入到控制器,其實這些信號間接反映了轉子所處的位置,控制器對這些信號經過判斷之后,作出相應的輸出,并給相應的線圈通電,通電產生了磁場。因為同性相斥,異性相吸的原理,定子和轉子就相對移動。

        普通無刷電機的定子是線圈(上面連有霍耳傳感器),于是轉子(磁鋼及輪子)受迫轉動。轉子的轉動,內置霍耳傳感器的輸出信號便發(fā)生改變,控制器又輸出不同方向的電流而該輸出產生的磁場又剛好再次和固定磁場(磁鋼)同性相斥,異性相吸,結果再次迫使轉子轉動,接著霍耳傳感器的輸出信號又再次發(fā)生改變。這樣周而復始,輪子就可以不斷轉動。

        2 系統(tǒng)總體設計

        2.1 LPC2132簡介

        系統(tǒng)電路中采用的主控芯片為LPC2132。它是采用32位ARM7TDMI-STM CPU的嵌入式微控制器,帶有64KB高速Flash存儲器,有一 10位 8路 ADC、6路PWM通道和47個GPIO以及多達9個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷接口,并具有極低的功耗,使它特別適用于小型工業(yè)控制和醫(yī)療系統(tǒng)應用。LPC2132最小系統(tǒng)包括有振蕩器電路、復位電路、JTAG調試接口等電路,系統(tǒng)為3.3 V電源供電。復位電路中采用了專用的微控制器復位芯片MAX809為LPC2132提供可靠的復位信號。JTAG調試接口可通過簡易的H-JTAG仿真器將程序固化到LPC2132的Flash中,也支持在線調試。本設計中通過JLINK仿真器對系統(tǒng)進行在線調試,并通完成程序的固化。

        2.2 系統(tǒng)控制方案

        無位置傳感器無刷直流電動機控制的關鍵在于電流換向時刻的決定,即根據轉子位置信息,來確定定子三相繞組的通電模式。本課題采用反電勢法對轉子的位置信息進行估算,通過測量定子端電壓和相電流,就可計算出轉子位置和轉子的速度,從而實現(xiàn)對無刷直流電動機的控制。系統(tǒng)的控制框圖如圖1所示。

        系統(tǒng)的控制由位置環(huán)、轉速環(huán)、電流環(huán)三環(huán)組成,最內環(huán)為轉子位置檢測環(huán),獲得轉子的位置信息,確保電機能夠正確地進行換相;第二個控制環(huán)是電流環(huán)(ACR),它用來調節(jié)定子磁場的大小,定子磁場的大小正比于流過定子線圈的電流,控制定子線圈的電流即可以定子磁場的大小;最外環(huán)為轉速環(huán) (ASR),它將給定的速度信號與經轉子位置檢測后計算的速度信號之差作為速度環(huán)的輸入,實現(xiàn)轉速的實時反饋與調整。

        圖1 系統(tǒng)的控制框圖

        2.3 系統(tǒng)硬件設計

        以LPC2132微控制器為核心的無刷直流電動機無傳感器系統(tǒng)硬件結構如圖2所示。本系統(tǒng)所用無刷直流電動機定子繞組為三相Y型連接,采用兩相導通三相六拍運行方式。主要有以下幾個部分組成:系統(tǒng)主控電路、顯示電路、功率驅動電路、信號檢測和保護電路。

        由于反電勢是難以直接測取的模擬信號物理量,反電勢過零信號的檢測實際上是通過檢測三相繞組端電壓,經計算間接地得到反電勢過零信號。

        主回路上電流的檢測是通過檢測位于在逆變電路的低電壓端與地之間串連的采樣電阻的電壓來實現(xiàn)的。輸出的電流信號經過精密電阻轉換為電壓信號,再經過運算放大器處理后,送入LPC2132的模數(shù)轉換模塊。電流采樣周期為50μs。

        圖2 系統(tǒng)硬件結構原理圖

        由于本系統(tǒng)采用無傳感器控制,取消了傳統(tǒng)的位置傳感器和速度傳感器,因此速度反饋信息只能夠通過對無傳感器控制方法檢測到的轉子位置信息加以處理來得到。其原理是:根據在一定時間間隔內轉子位置的變化來計算轉速。轉速計算公式:

        式中:p—極對數(shù);△T—速度環(huán)調節(jié)周期(本系統(tǒng)中為60ms),△θ為△T時間段內的轉子位置變化量。在實際計算中,本系統(tǒng)是通過計算△T內電機換相的個數(shù)乘以一個換相區(qū)間60°電角度的方法來計算△θ。

        BLDCM屬于兩相饋電式電動機,即無論轉子處于什么位置,都只有兩相繞組通電,其轉速表達式:

        式中:R0=2R,R—電動機一相等效電阻;Ke—電動勢系數(shù);Ud0—加到兩相繞組間的直流平均電壓值;Ud0= ρUd,其中Ud—直流母線電壓,ρ—PWM調制波占空比。

        由上式可見,只需對三相橋式逆變器進行PWM調制,就可以方便地改變其直流端電壓,從而實現(xiàn)無級調速。這與普通有刷直流電動機的調壓調速是非常相似的,改變占空比ρ,即可得到一組互相平行的機械特性曲線,其開環(huán)機械特性較硬,具有較寬的調速范圍。

        2.4 系統(tǒng)軟件設計

        系統(tǒng)的主程序流程如圖3所示。主要包括兩大模塊。即初始化模塊和T0定時器中斷模塊。初始化模塊主要完全成系統(tǒng)時鐘、看門狗、I/O端口、232端口,系統(tǒng)中斷設置以及軟件中各變量的初始化,然后進入電機預啟動程序。電機預啟動完畢,程序將等待T0的中斷請求信號。T0的中斷服務程序流程如圖4所示。在T0中斷服務程中,控制器LPC2132每隔50μs對定子端電壓及相電流進行采樣。程序中用兩個全局變量dl_cnt和sd_cnt對中斷次數(shù)進行計數(shù),dl_cnt計數(shù)滿4次則進行電流環(huán)調節(jié),sd_cnt計數(shù)滿1000,則進行速度環(huán)調節(jié),即電流環(huán)每200μs調節(jié)一次,速度環(huán)60ms調節(jié)一次。進行中斷程序后,先進行定子端電壓和相電流的采樣計算,接著dl_cnt開始計數(shù),若未到計數(shù)值則跳轉到對sd_cntT計數(shù);若dl_cnt到計數(shù)值,則通過采樣值計算出轉子的轉速和轉角;然后sd_cnt加1,達到計數(shù)值則進行轉速調節(jié),否則直接計算出新的PWM值,生成適當?shù)腜WM信號,再計算出轉子位置信號,判斷是否需要換相,把適當?shù)腜WM信號施加到驅動電路上。

        圖3 系統(tǒng)主程序流程圖

        圖4 定時器T0中斷子程序流程圖

        2.5 實驗驗證

        加載系統(tǒng)會自動調節(jié)輸入電壓的占空比,增加驅動力。比如設速度為全速的一半,驅動信號,加載后,占空比自動加密,最終達到全部開啟狀態(tài)。

        經實際使用示波器測量驗證圖5中所示的2路驅動信號,分別屬于某一橋壁的上下兩只MOSFET的驅動信號,比較可知,每支開關管一周期導通120°,并且2路驅動信號間不可能重合。圖6中(a)、(b)所示的波形分別為半速時和全速時線圈內的電流變化。

        圖5 逆變器中兩只MOSFET的驅動信號

        3 總結

        所設計的基于LPC2132微處理器的無刷直流電動機的控制系統(tǒng),代碼精簡,控制系統(tǒng)快速、可靠。用串口連接上位PC機來做顯示,效果較好。由于該芯片控制能力強、主頻高,優(yōu)于 51系列單片機的各種性能,是控制無刷直流電動機的較理想的器件。實踐證明,用LPC2132微控制器做核心的無刷直流電機控制系統(tǒng),功耗小、運行良好,具有一定的推廣價值。

        圖6 閉環(huán)控制中線圈內的電流變化

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        Design of Control System of BLDC Motor Based on LPC2132

        LIU Xiong
        (Taiyuan Institute of China Coal Technology and Engineering Group,Taiyuan Shanxi 030006,China)

        The main feature of Brushless DC Motor is described in brief,the functions,the characteristics and developing process of the control system based on LPC2132 are introduced.Several questions in the hardware design and the software design are discussed.The control system's code is simplified;the movement is fast and reliable.The experiment proved that,use the method of the non-position transducer for Brushless DC Motor to carry on the monitor and the control,good performance can be achieved,and it has certain promoted value.

        BLDCM;non-position transducer;loop;feedback

        TP273

        :Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.03.055

        1002-6673(2014)03-145-03

        2014-03-21

        劉雄(1981-),男,陜西神木人,碩士,助理工程師。畢業(yè)于東北大學機械電子工程學院,現(xiàn)在山西天地煤機裝備有限公司內蒙古分公司工作。

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