張從鵬，邢慶輝

(北方工業(yè)大學(xué)，北京 100144)

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基于ARM Cortex-M4的永磁無刷直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張從鵬，邢慶輝

(北方工業(yè)大學(xué)，北京 100144)

介紹了一種以ARM Cortex-M4芯片作為數(shù)字信號(hào)控制器，智能功率模塊(IPM)為驅(qū)動(dòng)電路的永磁無刷直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)。詳細(xì)闡述了該調(diào)速系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，并對(duì)調(diào)速系統(tǒng)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了對(duì)無刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制測(cè)試。系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)性能運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，速度誤差不超過1%，能滿足基本的工業(yè)應(yīng)用。

永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)；STM32F407；智能功率模塊；功率驅(qū)動(dòng)

0 引 言

隨著微電子、電力電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)現(xiàn)代控制理論和對(duì)永磁材料研究的深入，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)速性能好、效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)在工業(yè)上的運(yùn)用越來越廣泛。

目前，數(shù)字化智能控制直流調(diào)速的出現(xiàn)，使得直流調(diào)速的性能得到很大提升，并很快成為直流調(diào)速的主導(dǎo)。然而國內(nèi)對(duì)數(shù)字化直流調(diào)速系統(tǒng)的研究相對(duì)較遲，形式單一，并且在很大程度上仍依賴于國外產(chǎn)品?；谶@種情況，本文提出了一種基于ARM Cortex-M4處理器STM32F407的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng)，研究調(diào)速系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)電路和軟件控制算法，開發(fā)滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值與現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

1.1 永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的組成

圖1為永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。該系統(tǒng)是一個(gè)典型的三環(huán)控制系統(tǒng)，包括電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)。電流控制器的作用是：實(shí)現(xiàn)快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，使電流在動(dòng)態(tài)響應(yīng)中不出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，為此采用PI控制。速度控制器是為了增加系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力，即調(diào)節(jié)速度的波動(dòng)，為電流環(huán)給定。位置控制器是通過外部的脈沖給定，給定和通過永磁電機(jī)的編碼器反饋位置信息進(jìn)行位置環(huán)的PID來完成對(duì)速度環(huán)的給定。其中速度控制器的反饋也來自編碼器。

圖1 永磁直流無刷電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

1.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。采用ARM公司的高性能主控制芯片STM32F407為核心，實(shí)現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)的速度控制

圖2 永磁直流調(diào)速系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

器、電流控制器的控制、JTAG調(diào)試接口電路、LCD狀態(tài)顯示電路、AD采集信號(hào)等相關(guān)功能。同時(shí)以三菱公司的智能功率模塊FSAM20SH60A的IPM為逆變器開關(guān)元件來完成驅(qū)動(dòng)單元。

1.2.1主控電路

主控芯片STM32F407是基于Cortex-M4架構(gòu)內(nèi)核，集成豐富的電機(jī)庫接口電路，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)永磁矢量定向控制的理想平臺(tái)，內(nèi)部嵌有高級(jí)定時(shí)器、編碼器接口、AD采集接口等外設(shè)，極大地方便了直流調(diào)速的控制系統(tǒng)。

1.2.2電源控制部分

電源部分采用24 V單獨(dú)供電輸入，通過可調(diào)開關(guān)電源芯片LM2596進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，設(shè)定為15 V，為IPM驅(qū)動(dòng)電路、IGBT過流保護(hù)和剎車電路等電路進(jìn)行供電。設(shè)定為5 V，為光耦隔離電路、運(yùn)算放大電路、編碼器接口電路、USB電路、二極管等電路電源供電。電源轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

圖3 電源轉(zhuǎn)換電路

1.2.3三相功率驅(qū)動(dòng)控制電路

逆變器電路是伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主體，向永磁電機(jī)中輸入電流，才能使其才能旋轉(zhuǎn)。三相功率驅(qū)動(dòng)控制電路選擇的是IPM模塊FSAM20SH60A，內(nèi)部集成了IGBT三相橋臂功率器件、驅(qū)動(dòng)電路、電流保護(hù)電路、電源欠壓保護(hù)等保護(hù)電路，如圖4所示。STM32通過高級(jí)定時(shí)器輸出6路的PWM脈沖信號(hào)，作為IPM的輸入來控制逆變橋的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的精確控制。

圖4 三相功率驅(qū)動(dòng)電路

1.2.4三電阻采樣電路

本設(shè)計(jì)采用是三電阻電流采樣電路，功率電阻采用5 mΩ，5 W。電流采樣放大電路如圖5所示，選用的芯片是OPA4350，該芯片具有高精度、38 MHz高帶寬，低噪聲、高轉(zhuǎn)換速率(22 V/μs)，能滿足該設(shè)計(jì)放大電路的要求。

圖5 電流采樣放大電路

1.2.5 顯示接口模塊

本設(shè)計(jì)的人機(jī)交互接口采用的是TFT型LCD彩色液晶屏模塊，分辨率為320×240，與單片機(jī)的連接如圖6所示。

圖6 TFT320240彩色液晶接口模塊

2 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的軟件部分主要由主程序、中斷服務(wù)程序、數(shù)據(jù)顯示三部分組成。本程序設(shè)計(jì)在Keil μVision集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)C語言開發(fā)。主程序包括系統(tǒng)時(shí)鐘配置，I/O接口的初始化，定時(shí)器的初始化，LCD模塊初始化，AD數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)化設(shè)置等，然后進(jìn)入循環(huán)程序。主程序如圖7所示。

圖7 主程序框架圖

中斷服務(wù)程序是在高級(jí)定時(shí)器TIM1中斷里進(jìn)行的。首先對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子的速度和電流進(jìn)行采集處理，PID調(diào)節(jié)，生成六路PWM等。外部中斷部分為編碼器定時(shí)中斷，主要對(duì)電阻采樣的數(shù)據(jù)處理，轉(zhuǎn)子位置分析，換相以及正反轉(zhuǎn)分析等。圖8為PWM中斷服務(wù)函數(shù)流程圖。

圖8 PWM中斷服務(wù)函數(shù)流程圖

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及結(jié)果分析

永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)如圖9所示。驅(qū)動(dòng)的電機(jī)型號(hào)為42BLFOI電機(jī)，額定電壓為24V，額定電流為1.9A，最高轉(zhuǎn)速為4 000 r/min，額定功率為26 W。

圖9 永磁無刷直流調(diào)速系統(tǒng)測(cè)試

通過示波器對(duì)控制器的U相和V相的波形進(jìn)行觀察，如圖10所示。可看出，三相電流的波形處于穩(wěn)定狀態(tài)，運(yùn)行平穩(wěn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠保證無刷直流電機(jī)的速度和電流控制，運(yùn)行平穩(wěn)，具有較高精度。

圖10 三相波形

4 結(jié) 語

本文開發(fā)了基于 ARM Cortex-M4的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，速度控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案可行，集成度高，開發(fā)周期短，系統(tǒng)安全可靠，是一種新的全數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)方案，能滿足基本的工業(yè)應(yīng)用，并且該設(shè)計(jì)可推進(jìn)永磁直流無刷電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)向著智能化、數(shù)字化、模塊化方向發(fā)展。

[1] 張杰. 基于SVPWM控制的無刷直流電機(jī)的建模與仿真[J].機(jī)電工程，2013，30(9)：1106-1108.

[2] 凌鋼.基于DSP+FPGA的永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器研究[D].蕪湖：安徽工程大學(xué)，2010：2-3.

[3] 劉波文.ARM Cortex-M3應(yīng)用開發(fā)實(shí)例詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011：398-402.

[4] 李小明.無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J].科技信息，2010，(35)：124-125.

[5] 夏長亮，方紅偉.永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27(3)：25-34.

Design of Permanent Magnet Brushless DC Speed-Regulating System Based on ARM Cortex-M4

ZHANGCong-peng，XINGQing-hui

(North China University of Technology，Beijing 100144，China)

A speed-regulating system of the permanent-magnet brushless DC motor which used ARM Cortex-M4 as the digital signal controller and the intelligent power modular (IPM) as drive circuit was introduced. The software and hardware design of the speed-regulating system was elaborated in detail. And the experimental platform was built to test speed cotrol of the permanent-magnet brushless DC motor. System test results show that the system has stability and reliability,and its velocity error does not exceed 1%. It can meet the basic industrial applications.

permanent magnet brushless DC motor; STM32F407; IPM; power drive

2015-07-17

TM351；TM33

A

1004-7018(2016)01-0090-03

張從鵬(1975-)，男，博士，副教授，研究方向?yàn)閿?shù)字化制造技術(shù)與裝備。