盧 軍1，程詩(shī)卿1，黃海波1，陳宇峰1，高 云，王志虎

(1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湖北 十堰 442002;2.東風(fēng)汽車動(dòng)力零部件有限公司，湖北 十堰 442000)

0 引言

直流電動(dòng)機(jī)具有運(yùn)行效率高、調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)而得以廣泛的運(yùn)用。但傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)大都采用電刷，以機(jī)械換相方式進(jìn)行換相即有刷電機(jī)，由于摩擦等物理因素進(jìn)而存在噪聲、火花、無(wú)線電干擾以及壽命短等弱點(diǎn)[1]。隨著半導(dǎo)體行業(yè)的飛躍發(fā)展發(fā)展，借助位置傳感器和電子換相線路來(lái)替代機(jī)械換相的直流無(wú)刷電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生[2-3]。

為了使得三相直流無(wú)刷電機(jī)在各控制系統(tǒng)中得到更好的運(yùn)用，設(shè)計(jì)生產(chǎn)一款穩(wěn)定的、控制性能優(yōu)越、成本低廉的驅(qū)動(dòng)控制器將成為直流無(wú)刷電機(jī)發(fā)展的重要需求[4-6]。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的是基于SPANSION MB9BF121K單片機(jī)的三相直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)采用上位機(jī)實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定及曲線繪制以及人機(jī)交互，驅(qū)動(dòng)部分主要采用IR2101S雙通道高速功率驅(qū)動(dòng)器，控制部分實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)運(yùn)行控制、電機(jī)測(cè)速、PID算法調(diào)節(jié)及防過(guò)流、防堵轉(zhuǎn)等電機(jī)保護(hù)功能。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

如圖1所示，本系統(tǒng)是基于SPANSION MB9BF121K單片機(jī)的三相無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用有感驅(qū)動(dòng)方式的PID閉環(huán)調(diào)速控制，利用霍爾位置傳感器來(lái)反饋位置，根據(jù)位置信息對(duì)電機(jī)進(jìn)行換相，使電機(jī)連續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行，并同時(shí)利用位置信息計(jì)算電機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)速，反饋到單片機(jī)上，進(jìn)行速度PID閉環(huán)調(diào)節(jié)，使電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和啟?？刂疲麄€(gè)過(guò)程通過(guò)串口與上位機(jī)通信，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的轉(zhuǎn)速曲線，并可以通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速的設(shè)定以及啟停，同時(shí)具備PID參數(shù)的設(shè)定等人機(jī)交互功能。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

從圖1可知，本系統(tǒng)硬件部分主要由六大部分組成，分別是：電源管理模塊、主控制器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、信號(hào)檢測(cè)模塊、電機(jī)保護(hù)電路模塊以及目標(biāo)電機(jī)組成。電源管理模塊為系統(tǒng)提供所需的各類電源，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)MCU信號(hào)對(duì)目標(biāo)電機(jī)控制，信號(hào)檢測(cè)模塊檢測(cè)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，為電機(jī)換相及電機(jī)保護(hù)提供參數(shù)支持，保護(hù)電路模塊檢測(cè)電機(jī)運(yùn)行的狀況，防止過(guò)流和堵轉(zhuǎn)。限于篇幅，下面主要介紹電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、信號(hào)檢測(cè)模塊以及保護(hù)電路模塊。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊中重點(diǎn)要做好高壓浮柵型驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，在MOSFET導(dǎo)通時(shí)要保證15V的導(dǎo)通壓差，在MOSFET管關(guān)斷情況下加快柵極-源極電容放電；在信號(hào)檢測(cè)模塊中重點(diǎn)要做好霍爾信號(hào)檢測(cè)及處理電路，保證獲取純凈和穩(wěn)定的霍爾信號(hào)以利于提取轉(zhuǎn)子位置和速度信息；保護(hù)電路模塊除了完成電流的實(shí)時(shí)采集，還要做好過(guò)流保護(hù)，一旦電流過(guò)大就要觸發(fā)單片機(jī)的過(guò)流中斷。

2.1 MOSFET驅(qū)動(dòng)模塊

MOSFET驅(qū)動(dòng)部分電源是+24 V，當(dāng)MOSFET管導(dǎo)通時(shí)，源極電壓近似為電源電壓+24 V，為保證MOSFET管維持導(dǎo)通，柵極電壓必須大于+24 V，為實(shí)現(xiàn)比電源電壓還高的驅(qū)動(dòng)電壓，采用了高壓浮柵型驅(qū)動(dòng)電路。

基于IR2101S的驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示，HIN為上橋臂控制輸入，LIN為下橋臂控制輸入，HO為上橋臂驅(qū)動(dòng)輸出，LO為下橋臂驅(qū)動(dòng)輸出。電容C29為自舉電容，其在MOSFET管斷態(tài)時(shí)通過(guò)二極管D5被15 V充電。該電容在器件導(dǎo)通時(shí)可將柵極電壓抬升至39 V，使柵極-源極得到15 V的導(dǎo)通壓差，以避免MOSFET管關(guān)斷，防止欠壓自鎖。R9、R10為33 Ω電阻，其主要作用是防止震蕩、減小柵極充電峰值電流、保護(hù)場(chǎng)效應(yīng)管漏極-源極不被擊穿。D11、D15為1N4148二極管，主要是在MOSFET管關(guān)斷情況下加快柵極-源極電容放電。

圖2 MOSFET驅(qū)動(dòng)模塊

2.2 信號(hào)檢測(cè)模塊

信號(hào)檢測(cè)電路主要實(shí)現(xiàn)霍爾信號(hào)檢測(cè)及處理，如圖3所示，在霍爾信號(hào)輸入端加入了施密特反相器，以獲得一個(gè)干凈穩(wěn)定的霍爾信號(hào)。EDS1為防靜電保護(hù)，R18、R19為分壓電阻，使得輸出霍爾信號(hào)為3.3 V，C37為濾波電容，濾除霍爾信號(hào)中高頻噪聲信號(hào)，以保證霍爾信號(hào)的穩(wěn)定。

圖3 霍爾信號(hào)檢測(cè)模塊

2.3 電流采集與保護(hù)電路

電機(jī)保護(hù)電路設(shè)計(jì)如圖4所示，采用比較器電路，輸入信號(hào)為采樣電阻端電壓，當(dāng)電機(jī)過(guò)流或堵轉(zhuǎn)時(shí)，采樣電阻端電壓增大，超過(guò)門限電壓后，比較電路輸出一個(gè)下降沿信號(hào)，觸發(fā)DTIF電機(jī)急停保護(hù)中斷，防止電機(jī)過(guò)流損毀，相比軟件保護(hù)而言，具有響應(yīng)速度快的優(yōu)勢(shì)。

圖4 電機(jī)保護(hù)模塊

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件由上位機(jī)與下位機(jī)兩部分構(gòu)成，上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制與顯示功能，下位機(jī)軟件控制電機(jī)的運(yùn)行以及故障處理等功能，軟件架構(gòu)如圖5所示。

圖5 軟件架構(gòu)框圖

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，上位機(jī)向主控制器模塊發(fā)送開始工作指令；主控制器模塊接收到指令后，通過(guò)信號(hào)檢測(cè)模塊獲得電機(jī)霍爾信號(hào)，測(cè)得信號(hào)經(jīng)電機(jī)換相函數(shù)控制PWM模塊輸出相應(yīng)狀態(tài)的PWM波；輸出的PWM經(jīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊后驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；霍爾信號(hào)被電機(jī)換相函數(shù)處理的同時(shí)經(jīng)電機(jī)測(cè)速函數(shù)測(cè)得電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速，通過(guò)串口發(fā)送至上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示；若進(jìn)行閉環(huán)控制，由上位機(jī)設(shè)置后，PID模塊得到PID參數(shù)，根據(jù)測(cè)得的電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)有硬件過(guò)流保護(hù)裝置，信號(hào)檢測(cè)模塊測(cè)得電機(jī)過(guò)流時(shí)觸發(fā)DTIF電機(jī)急停中斷，關(guān)閉PWM輸出對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。軟件流程如圖6所示，下面重點(diǎn)介紹電機(jī)換相處理、測(cè)速以及PID速度調(diào)節(jié)。為了精確地對(duì)速度進(jìn)行測(cè)量，采用T法和M法相結(jié)合的方法，在轉(zhuǎn)速小于500 r/min以下時(shí)采用T法測(cè)速，在轉(zhuǎn)速大于500 r/min以上時(shí)采用M法測(cè)速[7-8]。同時(shí)采用遞推均值法和一階RC濾波法相結(jié)合的數(shù)據(jù)濾波處理方法[9-10]。在速度控制時(shí)，采用自適應(yīng)分段PID速度控制策略，根據(jù)絕對(duì)速度誤差的大小來(lái)施加不同權(quán)重的積分和微分作用。

3.1 電機(jī)換相處理

電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中測(cè)得霍爾信號(hào)時(shí)序如圖7所示，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)60°電氣角度后，霍爾傳感器檢測(cè)到另一種信號(hào)狀態(tài)后控制器部分將改變功率MOSFET的導(dǎo)通順序。

圖6 軟件設(shè)計(jì)流程圖

圖7 霍爾信號(hào)時(shí)序圖

經(jīng)測(cè)量，直流無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)各功率MOSFET導(dǎo)通順序如表1所示。其中，AH、AL、BH、BL、CH、CL分別對(duì)應(yīng)三相橋臂的上下半橋。在保證功率MOSFET導(dǎo)通順序正確的情況下要防止驅(qū)動(dòng)橋上下橋臂同時(shí)導(dǎo)通，需要加入一定的死區(qū)時(shí)間，避免一個(gè)橋臂尚未完全關(guān)閉就將另一個(gè)橋臂開啟，導(dǎo)致上下橋臂短路而使功率MOSFET燒毀。

3.2 電機(jī)測(cè)速

MB9BF121K單片機(jī)的外部輸入捕獲單元ICU用于檢測(cè)霍爾信號(hào)從而得到電機(jī)轉(zhuǎn)速。ICU由FRTS、沿檢測(cè)電路、16 位捕捉寄存器和控制寄存器構(gòu)成?；締挝粸?路通道構(gòu)成，各個(gè)通道帶有2組各種電路。ICU捕獲管腳信號(hào)檢測(cè)到有效沿時(shí)，就捕捉FRT計(jì)數(shù)值并對(duì)CPU發(fā)生中斷如圖8所示。邊沿檢測(cè)電路是檢測(cè)輸入信號(hào)的有效沿的電路，ICCP寄存器將輸入信號(hào)的變化時(shí)機(jī)作為FRT計(jì)數(shù)值捕捉，輸入信號(hào)的有效沿可從上升沿、下降沿和雙沿中選擇。在檢測(cè)到預(yù)先設(shè)定的有效沿且進(jìn)行捕捉的時(shí)刻，可對(duì)CPU觸發(fā)中斷進(jìn)行電機(jī)換相和測(cè)速。

本系統(tǒng)使用的三相直流無(wú)刷電機(jī)最高轉(zhuǎn)速在4 200 r/min，為了精確地對(duì)速度進(jìn)行測(cè)量，采用T法和M法相結(jié)合的方法。在轉(zhuǎn)速小于500 r/min以下時(shí)采用T法測(cè)速，測(cè)量單個(gè)脈沖信號(hào)周期，換算成脈沖信號(hào)頻率得到電機(jī)轉(zhuǎn)速。在轉(zhuǎn)速大于500 r/min以上時(shí)采用M法測(cè)速，通過(guò)單位時(shí)間內(nèi)測(cè)量待測(cè)脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)，換算得到電機(jī)轉(zhuǎn)速。

系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中存在一定的機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)霍爾信號(hào)也存在一定的誤差干擾，所以必須對(duì)測(cè)得轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，以保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性及可靠性，這里采用遞推均值法和一階RC濾波法相結(jié)合的方法。即首先采用遞推均值法：設(shè)定一個(gè)N長(zhǎng)采樣值的序列，根據(jù)序列先進(jìn)先出原則，將每次采樣得到的數(shù)據(jù)放入序尾，同時(shí)將原來(lái)序首的數(shù)據(jù)丟棄，然后將序列中的數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均得到濾波后的數(shù)據(jù)。然后采用一階RC濾波法：設(shè)加權(quán)因子為a∈0～1，將前面濾波后的數(shù)據(jù)和本次采樣值再進(jìn)行如下的一階RC數(shù)字濾波：本次采樣值*(1-a)+a*上次濾波結(jié)果值。為保證濾波效果和數(shù)據(jù)輸出的實(shí)時(shí)性，經(jīng)過(guò)測(cè)算N=30，a=0.7。圖9是濾波后的轉(zhuǎn)速曲線對(duì)比，可見一階RC濾波與遞推均值濾波后得到的轉(zhuǎn)速曲線效果明顯好轉(zhuǎn)，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖9 濾波轉(zhuǎn)速曲線對(duì)比

3.3 速度控制

電機(jī)在帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)，尤其當(dāng)電機(jī)在啟動(dòng)、停止，或者大幅度加減速和負(fù)載突變時(shí)，速度的設(shè)定值與反饋值之間都會(huì)出現(xiàn)較大的偏差。為避免積分作用降低系統(tǒng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性以及微分作用給系統(tǒng)帶來(lái)較大的擾動(dòng)，根據(jù)絕對(duì)速度誤差ξ大小施加權(quán)重β的積分和微分作用，以達(dá)到逐步消除靜差提高控制精度和加快系統(tǒng)響應(yīng)速度的目的。設(shè)速度誤差為err(k)，且絕對(duì)誤差ξ=|err(k)|。根據(jù)本系統(tǒng)電機(jī)參數(shù)，經(jīng)過(guò)多次調(diào)試確定了如圖10所示的β/ξ關(guān)系。當(dāng)ξ小于400 r/min時(shí)，PID運(yùn)算中比例積分微分各部分全部作用；當(dāng)ξ大于2 000 r/min時(shí)，PID運(yùn)算中只有比例部分起作用；當(dāng)ξ在其他范圍取值時(shí)，PID運(yùn)算中積分和微分作用的權(quán)重分別在0～1之間取值。最后由公式(1)計(jì)算PID調(diào)節(jié)結(jié)果。

圖10 β/ξ關(guān)系圖

u(k)=kperr(k)+

(1)

這里，T為采樣時(shí)間，在系統(tǒng)里是速度調(diào)節(jié)的計(jì)算周期。

4 系統(tǒng)測(cè)試

利用LABVIEW開發(fā)上位機(jī)監(jiān)控軟件，主要功能包括兩部分，分別為接收數(shù)據(jù)編解碼部分以及發(fā)送數(shù)據(jù)編解碼部分。主要包括開環(huán)閉環(huán)控制選擇、電機(jī)正反轉(zhuǎn)選擇、系統(tǒng)運(yùn)行控制按鈕、電機(jī)轉(zhuǎn)速電流擬合曲線圖、PID參數(shù)設(shè)置等。電機(jī)額定參數(shù)為：電壓24 V，功率50 W，轉(zhuǎn)速4 000 r/min。為驗(yàn)證系統(tǒng)性能，分別進(jìn)行了空載實(shí)驗(yàn)和負(fù)載試驗(yàn)，設(shè)采樣周期T=0.2 s。

在圖11空載測(cè)試中，電機(jī)從起始運(yùn)行速度250 r/min經(jīng)過(guò)0.8s達(dá)到設(shè)定額定速度4 000 r/min，穩(wěn)定運(yùn)行至6.5 s時(shí)，又從額定轉(zhuǎn)速4 000 r/min經(jīng)過(guò)0.8 s達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速250 r/min?？梢娤到y(tǒng)無(wú)超調(diào)，響應(yīng)速度快，響應(yīng)后的速度也很平穩(wěn)。對(duì)應(yīng)的電流從起始的0.5 A快速上升到約1.3 A，約0.5 s后穩(wěn)定到額定轉(zhuǎn)速下的0.75 A。同樣在轉(zhuǎn)速下降至起始速度250 r/min時(shí)，電流也非常平滑的降落并穩(wěn)定至起始值0.5 A。

圖11 空載測(cè)試速度電流曲線圖

在圖12負(fù)載測(cè)試中，電機(jī)的設(shè)定目標(biāo)速度是2 000 r/min，在4 s時(shí)減輕負(fù)載，速度上升到2 800 r/min后又回到2 000 r/min，過(guò)渡時(shí)間約1.5 s。在8 s時(shí)施加上撤銷的負(fù)載，速度降落到1 200 r/min后又回到目標(biāo)速度2 000 r/min，過(guò)渡時(shí)間約1.5 s。在減輕時(shí)，電流從起始1.5 A快速降落至0.5 A以下，并和速度同步穩(wěn)定至1.0 A。在重新施加負(fù)載時(shí)，電流從1.0 A快速上升至2 A以上，并和速度同步穩(wěn)定至起始1.5 A。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)基于SPANSIONMB9BF121K無(wú)刷電機(jī)專用控制芯片設(shè)計(jì)了三相直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，利用霍爾位置傳感器實(shí)現(xiàn)無(wú)刷電機(jī)的有感驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)主要分下位機(jī)驅(qū)動(dòng)控制部分以及上位機(jī)控制軟件。主要實(shí)現(xiàn)了以下功能：1)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)有過(guò)流、防堵轉(zhuǎn)等電機(jī)保護(hù)，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行故障時(shí)，故障指示燈提示故障，同時(shí)停止運(yùn)行以保護(hù)系統(tǒng)，提高系統(tǒng)安全性；2)驅(qū)動(dòng)器可由上位機(jī)軟件控制，系統(tǒng)可由上位機(jī)設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)并實(shí)時(shí)顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線；3)由于采用分段自適應(yīng)PID速度控制策略，使得電機(jī)轉(zhuǎn)速更加穩(wěn)定，同時(shí)提高了電機(jī)的帶負(fù)載能力和抗干擾能力。

圖12 負(fù)載測(cè)試速度電流曲線圖