王新彪，俞建定，王　青（寧波大學　信息科學與工程學院，浙江　寧波　315211）

基于ARM的無刷直流電機控制系統(tǒng)的設計

王新彪，俞建定，王青
（寧波大學信息科學與工程學院，浙江寧波315211）

為了滿足對無刷直流電機快速、平穩(wěn)、準確調(diào)速的要求，設計了一種以Cortex_M3內(nèi)核為平臺的無刷直流電機（BLDC）控制系統(tǒng)，并實現(xiàn)了該控制系統(tǒng)的硬件及軟件部分。運用操作系統(tǒng)FreeRTOS實時調(diào)度任務，采用速度、電流雙PID控制算法，形成無刷電機的雙環(huán)實時控制。為了更加有效地降低轉(zhuǎn)矩脈動，實現(xiàn)了一種12扇區(qū)無磁鏈觀測的二三導通模式直接轉(zhuǎn)矩控制。試驗結果證明，該控制系統(tǒng)響應速度快、調(diào)速范圍廣且精度高、性能穩(wěn)定可靠、成本和功耗皆低，應用前景十分廣泛。

直流無刷電機；直接轉(zhuǎn)矩控制；PID算法；轉(zhuǎn)矩脈動

0　引言

近些年來，隨著控制理論及電子技術的迅速發(fā)展，無刷電機電子換相逐漸取代了傳統(tǒng)的有刷直流電機的機械換相［1-2］。本文提出在中小功率的無刷電機的控制系統(tǒng)中采用ST公司以Cortex—M3為內(nèi)核的STM32f103作為核心處理器，它自身帶有反電動勢檢測功能，專門用于電機控制的外設，簡化了外圍電機控制系統(tǒng)的設計，使其成本大幅降低。

由于無刷直流電動機的控制技術仍不成熟，為降低轉(zhuǎn)矩脈動，對轉(zhuǎn)矩的控制成為了研究的新方向。傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制方法通過優(yōu)選的電壓矢量對電機定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩直接進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了對電機轉(zhuǎn)矩的直接控制［3-4］。在無刷直流電機直接轉(zhuǎn)矩控制中，由于反電勢為方波，常用的導通方式是120°導通方式，對應的空間電壓矢量的選擇與傳統(tǒng)的電壓矢量也不同［5］。為了更加有效地降低轉(zhuǎn)矩脈動，本文實現(xiàn)一種12扇區(qū)無磁鏈觀測的二三導通模式直接轉(zhuǎn)矩控制［6］。

1　系統(tǒng)設計及工作原理

該控制系統(tǒng)主要包含輸入保護電路、MOSFET驅(qū)動、模數(shù)轉(zhuǎn)換、采樣保持、電池充電檢測、電子剎車、電流保護、通信模塊。該控制系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1　控制系統(tǒng)總體結構圖

系統(tǒng)工作原理及功能如下：使用FreeRTOS操作系統(tǒng)建立4個任務設定優(yōu)先級：AD檢測任務、串口通信任務、模式及速度控制任務、故障報警指示任務。AD檢測任務每2ms執(zhí)行一次，若有過流、長時間堵轉(zhuǎn)或其他突發(fā)性故障，故障指示燈將報警并關斷輸出停止電機運行。若無上述故障，則處理器將根據(jù)人機界面通過串口發(fā)送來的信號進行解碼，然后設置相應的轉(zhuǎn)子速度及運行模式。根據(jù)定時器中斷捕獲到霍爾的變化，分析電機轉(zhuǎn)子的位置，然后根據(jù)定子轉(zhuǎn)動方向來控制功率管的開關順序，控制電機的轉(zhuǎn)動方向和速度［7］。

2　硬件設計

2.1STM32f103簡介

STM32是32位處理器，工作頻率高達72MHz，速度達120MIPS，內(nèi)部集成多路高精度12位AD，6個普通定時器，兩個16位高級定時器，每個可產(chǎn)生6路捕獲/比較通道可輸出6路互補PWM，還有剎車和死區(qū)控制，是一款專用電機控制芯片，不僅簡化了外圍電路設計，而且節(jié)省成本，結合實時操作系統(tǒng)FreeRTOS，更充分有效地運用了CPU資源，使各個任務實時快速響應，實現(xiàn)操作的快速靈活。

2.2電流采樣及保護電路

在圖2所示的電流采樣及保護電路中，當電機帶負載時，有時電流會達到幾安培，為了處理器正常工作及采樣，需要采用阻值小且精確、體積小的康銅絲作為采樣電阻，電流信號經(jīng)康銅絲采樣之后分兩路，分別送至放大器和比較器。放大器用來實時放大采樣過來的電流信號，放大約20倍，放大后的信號提供給處理器進行AD采樣轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的AD值不能超過規(guī)定值。另一路信號送至比較器，當電流由于某種原因大大超過允許值時，比較器翻轉(zhuǎn)送出低電平，觸發(fā)單片機的大電流中斷，使單片機能夠快速關斷驅(qū)動，從而保護MOSFET避免受到更大的傷害［8-10］。

圖2　電流采樣及保護電路

2.3功率逆變驅(qū)動電路

如圖3所示，功率逆變驅(qū)動電路中，功率開關器件采用隔離驅(qū)動方式將多路驅(qū)動電路、控制電路、主電路互相隔離，以免引起嚴重的后果。本系統(tǒng)采用美國IR公司生產(chǎn)的IR2101S，它具有獨立的低端和高端輸入通道；懸浮電源采用自舉電路，邏輯電源電壓范圍大，為系統(tǒng)模塊化的設計帶來了方便，極大降低了開發(fā)成本，縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期［11］；快速恢復二極管Fr10和R39組成自舉電路。

圖3　功率逆變驅(qū)動電路

3　系統(tǒng)軟件設計

3.1控制策略

將二二導式與三三導通模式相結合，得到新的二三導通模式，該導通模式共有12個電壓矢量，電壓矢量增加使60°扇區(qū)變?yōu)?0°扇區(qū)，能有效地減小轉(zhuǎn)矩脈動。在定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩控制方面，12個電壓矢量的調(diào)節(jié)比6電壓空間矢量更準確。12個電壓矢量組合分成12個扇區(qū)，扇區(qū)劃分如圖4所示。二三導通劃分扇區(qū)的方法和三三導通一樣，二三導通是電壓矢量的15°范圍內(nèi)作為一個扇區(qū)。

圖4　扇區(qū)劃分圖

本文詳細地分析了無磁鏈觀測的無刷直流電動機直接轉(zhuǎn)矩控制，得到轉(zhuǎn)矩偏差的表達式為：

其中，p為極對數(shù)，Δφsq為定子交軸磁鏈變化量，Lq為電機交軸電感，φr為轉(zhuǎn)子磁鏈，θe為轉(zhuǎn)子相對于ɑ軸夾角。

由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時間常數(shù)遠大于電氣時間常數(shù)，當電壓矢量起作用時，認為轉(zhuǎn)子位置不變。在轉(zhuǎn)子位置不變的情況下，dφr/dθe也保持不變，為迅速調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩偏差，應該選擇交軸分量最大的電壓矢量。近似地在保持定子磁鏈幅值不變的情況下，施加垂直于轉(zhuǎn)子磁鏈方向的電壓矢量，迅速補償轉(zhuǎn)矩偏差。以扇區(qū)Ⅰ為例，如圖5所示，Ψr為轉(zhuǎn)子磁鏈，V4與V10可近似地認為與30°扇區(qū)垂直。施加V4，增加轉(zhuǎn)矩；施加V10，減小轉(zhuǎn)矩。

圖5　扇區(qū)Ⅰ中轉(zhuǎn)子磁鏈與電壓矢量

隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到不同的扇區(qū)，以此規(guī)律，得到最優(yōu)電壓矢量選擇表，如表1所示。

表1　電壓矢量選擇表

無刷直流電機無磁鏈觀測直接轉(zhuǎn)矩控制框圖如圖6所示。

圖6　直接轉(zhuǎn)矩控制框圖

3.2程序設計

本控制器軟件系統(tǒng)采用實時操作系統(tǒng)FreeRTOS來調(diào)度各個任務，它是一個輕量級的微內(nèi)核RTOS，支持優(yōu)先級調(diào)度算法，可根據(jù)每個任務的重要程度來賦予其一定的優(yōu)先級，CPU總是讓處于就緒態(tài)的、優(yōu)先級最高的任務先運行，可極大地提高CPU的運行效率，保證各個任務實時快速響應。

本系統(tǒng)運用RTOS創(chuàng)建了4個任務，具體如下：

（1）電機轉(zhuǎn)子模式及轉(zhuǎn)速設置，優(yōu)先級為4，如果接收到有效命令則執(zhí)行相應的設置及操作，人的響應時間為100ms左右，為了讓人感覺操作靈敏，任務每20ms執(zhí)行一次，即得到命令后20ms內(nèi)CPU就會執(zhí)行相應的設置。

（2）AD檢測任務，優(yōu)先級為2，對采集來的電流與程序中設置的閾值進行比較，若超過最大值，則使電機進入保護或者報警模式，若采集電流值正常，則進行速度PID調(diào)節(jié)、電流PI調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)、限幅輸出PWM，直至電機平穩(wěn)運行。

（3）串口通信任務，優(yōu)先級為3，人機界面每33ms自動發(fā)一次命令給控制器，控制器進行命令解碼，若收到的數(shù)據(jù)有效，中斷程序釋放一個信號量，串口通信任務得到信號量后，任務從掛起恢復執(zhí)行，把得到的命令傳送給任務1，若發(fā)送成功，返回一個應答命令，然后任務重新掛起，等待下一次信號量的到來。

（4）故障報警指示任務，優(yōu)先級為5，若缺相、霍爾位置錯誤、電流過大、堵轉(zhuǎn)則相應的LED會閃爍，并且讓電機停止運行，關斷繼電器，能迅速找到錯誤所在，節(jié)省維修調(diào)試時間。

程序系統(tǒng)框架如圖7所示。

圖7　程序系統(tǒng)框架

軟件部分把4個任務的部分控制概括融合后進行了簡要描述，直觀體現(xiàn)了電機的整個控制流程。另外，對于電機控制系統(tǒng)的擴展部分，如鍵盤顯示、數(shù)據(jù)通信等設計也都有過相關文獻論述，就不再贅述。

4　實驗結果

本控制對象采用額定電壓24V，最高轉(zhuǎn)速3 500r/min的無刷電機。通過上位機給控制器發(fā)送命令可驅(qū)動電機啟動、運行、剎車、停止，實現(xiàn)電機的不同方向的快速切換和各個速度擋速度的改變，既使在大負載下，也能快速啟動并達到平穩(wěn)狀態(tài)，剎車亦快速平穩(wěn)［12］。12扇區(qū)無磁鏈觀測的二三導通模式直接轉(zhuǎn)矩控制，可以在忽略復雜的磁鏈估算的前提下，對無刷直流電動機直接轉(zhuǎn)矩控制進行改進，控制簡單，容易實現(xiàn)，并且有效地降低了轉(zhuǎn)矩脈動。除以上重要功能外，此控制器還具備上電檢測通信、霍爾、缺相等故障，并發(fā)出警報，保護電機及避免功率管因電流過大造成永久損害。

5　結論

利用無刷直流電動機速度和電流反饋量作為雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的參數(shù)進行PID的調(diào)節(jié)，并且采用12扇區(qū)無磁鏈觀測的二三導通模式直接轉(zhuǎn)矩控制有效地降低了轉(zhuǎn)矩脈動，使電機能夠更平穩(wěn)地運行，并基于STM32型處理器的硬件平臺應用實時操作系統(tǒng)進行任務的調(diào)度，使開發(fā)和控制更加方便靈活。此方案已成功應用于電動輪椅的控制，在實際運行中電機加減速及平穩(wěn)運行、轉(zhuǎn)彎都可以達到理想的效果。該控制系統(tǒng)響應速度快、調(diào)速范圍廣且精度高、運行平穩(wěn)，能夠有效地減小轉(zhuǎn)矩，在理論和實際應用中都具備一定價值。

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Design of BLDC control system based on ARM

Wang Xinbiao，Yu Jianding，Wang Qing
（Faculty of Information Science and Technology，Ningbo University，Ningbo 315211，China）

In order to achieve the requirement of fast，smooth and accurate speed control of a brushless DC motor，this paper designed an BLDC controller based on Cortex_M3 kernel processor，and implemented hardware and software parts of the control system.The use of real-time operating system FreeRTOS scheduled tasks.Using the speed and current dual PID control algorithm，it formed a double-loop system that BLDC controled in realtime.In order to more effectively reduce the torque ripple，it achieved a 12 sectorfree flux observed two or three conduction mode direct torque control.The test results show that the control system has rapid response，wide speed range and high precision，stable and reliable performance，low cost and power consumption，and application prospect is very broad.

BLDC；direct torque control；PID algorithm；torque ripple

TM33

A

1674-7720（2015）16-0001-03

王新彪，俞建定，王青．基于ARM的無刷直流電機控制系統(tǒng)的設計［J］.微型機與應用，2015，34（16）：1-3，7.

2015-03-18）

王新彪（1989-），通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)與應用。E-mail：15038340634@163.com。

俞建定（1968-），男，高級實驗師，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)與應用。

王青（1990-），女，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)與應用。