張才斗，馬 杰

（長(zhǎng)安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安710064）

基于模型的設(shè)計(jì)方法的無(wú)刷直流電機(jī)控制研究

張才斗，馬 杰

（長(zhǎng)安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安710064）

用基于模型的設(shè)計(jì)方法開(kāi)發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)是一種快捷有效地方法。以無(wú)刷直流電機(jī)為被控制對(duì)象，利用Simulink、Stateflow搭建邏輯算法模型，在MATLAB平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)模擬驗(yàn)證，直接自動(dòng)生成代碼下載到目標(biāo)板上。設(shè)計(jì)者只需要了解工作原理，降低了嵌開(kāi)發(fā)的難度，提高了開(kāi)發(fā)效率，縮短了項(xiàng)目完成時(shí)間。

基于模型的設(shè)計(jì)方法；自動(dòng)生成代碼；Simulink

隨著電力電子，集成電路的快速發(fā)展，無(wú)刷直流電機(jī)因其具有調(diào)速方便、易于控制和優(yōu)良的調(diào)節(jié)使得無(wú)刷直流電機(jī)廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、航空航天、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備等高科技領(lǐng)域中[1-3]。由于DSPTMS320F2812芯片具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力、可靠性邏輯控制功能和各種中斷處理功能，所以用DSP去控制無(wú)刷直流電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)高精準(zhǔn)的控制及運(yùn)行[4-5]。在基于DSP有位置無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，文獻(xiàn)[6]，[7]系統(tǒng)軟件中軟件的I/O口的功能、PWM模塊的配置、邏輯導(dǎo)通及其算法的實(shí)現(xiàn)是用C語(yǔ)言去完成。這樣使得設(shè)計(jì)者要學(xué)會(huì)將電機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為C語(yǔ)言，增長(zhǎng)了開(kāi)發(fā)時(shí)間。文獻(xiàn)[8]，[9]中Matlab上通過(guò)Simulink上搭建的仿真模型將模仿真的結(jié)果與理論分析進(jìn)行驗(yàn)證模型的正確，而不能將搭建的模型進(jìn)行試驗(yàn)。

本文采用基于模型的設(shè)計(jì)方法自動(dòng)生成代碼，以TI公司和MathWorks公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的Embed Coder工具箱為依托，采用TMS320F2812芯片作為主處理器，以無(wú)刷直流電機(jī)為被控對(duì)象，直接實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)理念到算法模型，再由模型自動(dòng)生成嵌入式代碼的高效開(kāi)發(fā)流程，設(shè)計(jì)者需要了解無(wú)刷直流電機(jī)及TMS320F2812的工作原理，只需注算法本身，將繁瑣的代碼生成工作交給計(jì)算機(jī)完成，創(chuàng)新點(diǎn)在于不用考慮復(fù)雜的代碼編輯，縮短開(kāi)發(fā)周期。并且搭建的算法模型不僅能通過(guò)軟件在環(huán)進(jìn)行仿真，還能自動(dòng)生成代碼進(jìn)行試驗(yàn)。

1 原理分析

無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器和由控制電路和逆變橋電路構(gòu)成的換相裝置三大部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。無(wú)刷直流電機(jī)用定子上安裝電樞繞組、轉(zhuǎn)子上安裝永久磁體，并用位置檢測(cè)器檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置，檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)通過(guò)控制電路處理后送給功率逆變橋電路，由功率逆變橋電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1 無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

下面以Y接三相全橋兩兩導(dǎo)通方式為例，來(lái)簡(jiǎn)要介紹無(wú)刷直流電機(jī)的工作過(guò)程，無(wú)刷直流電機(jī)三相全控電路圖如圖2所示，采用兩兩導(dǎo)通方式驅(qū)動(dòng)，每隔60°電角度換相一次，每次只改變一個(gè)功率管，每個(gè)功率管導(dǎo)通角度為120°電角度。圖中包含6個(gè)晶體管、二極管組成的三相逆變電路，Ha、Hb、Hc為霍爾元件反饋的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，控制電路根據(jù)霍爾元件反饋的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)決定6路PWM信號(hào)的通斷或?qū)?，使電機(jī)定子繞組按照一定的次序通斷，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)電子換相，從而使電機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖2 無(wú)刷直流電機(jī)全控電路結(jié)構(gòu)圖

三個(gè)霍爾傳感器對(duì)稱(chēng)分布在定子圓周上，當(dāng)轉(zhuǎn)子N極靠近霍爾傳感器，即磁感應(yīng)強(qiáng)度到達(dá)一定值時(shí)，霍爾傳感器輸出高電平，當(dāng)N極逐漸離開(kāi)霍爾傳感器，電磁強(qiáng)度逐漸減小，但輸出仍為高電平，只有當(dāng)磁場(chǎng)變?yōu)镾極并達(dá)到一定值時(shí)，其輸出才翻轉(zhuǎn)為低電平。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，N-S極磁場(chǎng)交替轉(zhuǎn)換霍爾傳感器輸出的波形的高低電平比例相等，各占50%.即每個(gè)霍爾傳感器都會(huì)輸出180°脈寬的輸出信號(hào)，如圖3所示。無(wú)刷直流電機(jī)的準(zhǔn)確換相就是依據(jù)這三個(gè)霍爾傳感器輸出信號(hào)的組合來(lái)確定的。每個(gè)周期內(nèi)，霍爾傳感器輸出狀態(tài)數(shù)和電機(jī)工作狀態(tài)意義對(duì)應(yīng)，在兩兩導(dǎo)通的方式中，一個(gè)周期內(nèi)，共有6個(gè)工作狀態(tài)，表1表示電機(jī)的工作狀態(tài)與三個(gè)霍爾傳感器輸出的狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖3 霍爾位置傳感器輸出三相霍爾信號(hào)波形圖

假設(shè)當(dāng)前功率管V3、V6導(dǎo)通，則電流從B相流入電機(jī)，從C相流出電機(jī)，由電流經(jīng)繞阻產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向?yàn)椋˙，－C）。由 B和－C的定子電樞繞組合成磁矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到BC位置。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)使得霍爾傳感器的輸出發(fā)生變化，控制電路會(huì)據(jù)此調(diào)整功率管的導(dǎo)通情況，將 V6關(guān)斷，V1導(dǎo)通。這時(shí)，電流從 B相流入電機(jī)，從A相流出電機(jī)，經(jīng)繞阻產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向?yàn)椋˙，－A）。由 B和－A的定子電樞繞組合成磁矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到BA位置。同樣，霍爾器件又會(huì)輸出一個(gè)不同的值，控制電路根據(jù)霍爾元件的輸出作出相應(yīng)的處理，完成一個(gè)完整的換相周期。

2 模型搭建

通過(guò)上述原理分析，在Stateflow中創(chuàng)建正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)狀態(tài)圖，以dir的值控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，由此得到無(wú)刷電機(jī)的正反轉(zhuǎn)的狀態(tài)圖，如圖4所示。

圖4 無(wú)刷電機(jī)的正反轉(zhuǎn)的狀態(tài)圖

根據(jù)表1霍爾傳感器輸出與開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系表及控制邏輯，sensor的值及其功率開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通情況，得到正轉(zhuǎn)狀態(tài)圖，如圖5所示。模型接收霍爾元件傳送回的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，并以此判斷功率開(kāi)關(guān)的通斷跟PWM波形輸出的極性。當(dāng)霍爾元件返回值為1時(shí)，T=0x7FD，十六進(jìn)制7DF轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制為011111111110，則1、6路PWM 信號(hào)導(dǎo)通，并且極性值為PWM1為低有效，PWM2強(qiáng)制高，PWM3為強(qiáng)制高，PWM4為強(qiáng)制高，PWM5為強(qiáng)制高，PWM6為高有效；其他值類(lèi)似。

表1 霍爾傳感器

圖5 正轉(zhuǎn)狀態(tài)圖

Reversal子狀態(tài)跟Forward的子狀態(tài)基本類(lèi)似，不同之處在于：模型接收霍爾元件傳送回的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，導(dǎo)通的功率開(kāi)關(guān)不同，并且極性不同。

如表1所示，sensor的值為4時(shí)，5、6路PWM信號(hào)導(dǎo)通。將stateflow模塊再配合Simulink的庫(kù)模塊即可完成如圖6的算法模型。當(dāng)dir=1時(shí)，電機(jī)處于正轉(zhuǎn)，霍爾傳感器的狀態(tài)為4時(shí)，Stateflow中T=0xD7F，十六進(jìn)制D7F轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制為3455，則5、6路PWM信號(hào)導(dǎo)通，輸出的值為3455這證明算法模型達(dá)到了預(yù)期目的。而PWM信號(hào)占空比可用于調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。在PWM占空比的設(shè)置只需要將PWM模塊中的Outputs選項(xiàng)下面的將各個(gè)PWM使能，并且Duty cycle設(shè)為想要的占空比，點(diǎn)擊OK即可。如圖7所示。

圖6 算法模型

圖7 PWM占空比的設(shè)置

最后的生成代碼模型如圖8所示。

圖8 代碼模型

3 結(jié)束語(yǔ)

基于模型的設(shè)計(jì)為設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)開(kāi)發(fā)通用平臺(tái)，可將模型自動(dòng)生成嵌入式C代碼，大大降低了嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的門(mén)檻，設(shè)計(jì)者可輕松生成優(yōu)化的C代碼，減少了很多認(rèn)為錯(cuò)誤，大大縮短開(kāi)發(fā)周期。

[1]吳布托，淺談DSP在無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].科技信息，2011（31）：1.

[2]高慧敏，桂天真，崔儒飛，等.無(wú)刷直流電機(jī)PID調(diào)節(jié)參數(shù)整定研究[J].裝備制造技術(shù)，2014（9）：1.

[3]薛粹松，王 英.基于TMS320F2812的DS_省略_刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的研究及其仿真[J].變頻器世界，2015（3）：1-2.[4]李惠生，王 瑞.DSP在無(wú)刷直流電機(jī)控制中的應(yīng)用研究[J].機(jī)電一體化,2014，11（6）：1-2.

[5]盧小錦，基于DSP_BIOS的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的研制[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2011，30（5）：2-3.

[6]劉海鋒，DSP控制系統(tǒng)在無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速中的應(yīng)用[J].儀器儀表用戶，2012，3（10）：1-2.

[7]黃 斌，DSP在無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中的運(yùn)用[J].防爆電機(jī)，2016，6（14）：3-4.

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Research on Brushless DC Motor Control Based on Model Design Method

ZHANG Cai-dou，MA Jie
（Chang’an University，School of Mechanical Engineering，Shaanxi Xi’an 710064，China）

It is a quick and effective method to develop a motor control system with a model-based design method.With the brushless DC motor as the controlled object，using Simulink，Stateflow to build the logic algorithm model，in the MATLAB platform to achieve，through simulation verification，direct automatic generation of code downloaded to the target board.Designers only need to understand the working principle，reducing the difficulty of embedded development，improve the development efficiency，shorten the project completion time.

model-based design method；automatic generation of code；Simulink

TM361

A

1672-545X（2017）09-0066-03

2017-06-06

張才斗（1991-），男，山東濰坊人，碩士研究生，主要研究方向：電機(jī)控制、simulink仿真、dsp控制。