孫亞軍，王宜懷，王 林，彭 濤，劉賢德

(蘇州大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州 215000)

0 引言

永磁無刷直流電機(jī)(brushless direct current motor，BLDCM)具備傳統(tǒng)直流電機(jī)高效率、低噪聲，同時(shí)兼?zhèn)浣涣麟姍C(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、無換向火花、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，逐漸被廣泛用于家電、工業(yè)控制領(lǐng)域[1-3]。因此針對(duì)BLDCM的控制系統(tǒng)成為熱門研究領(lǐng)域。如文獻(xiàn)[4]使用增量PID在傳統(tǒng)DSP芯片上進(jìn)行控制，但增量式PID很難滿足BLDCM的動(dòng)態(tài)需求；文獻(xiàn)[5]使用模糊PID在FPGA上實(shí)現(xiàn)智能控制，但FPGA的電路復(fù)雜，設(shè)計(jì)成本較高；文獻(xiàn)[6]實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制，但實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜，對(duì)于硬件的計(jì)算能力要求較高，對(duì)電機(jī)的實(shí)時(shí)性會(huì)產(chǎn)生影響。本文采用S32K144[7]作為主控芯片，其既具有微控制器(microcontroller unit，MCU)低功耗、外設(shè)豐富的特征，又同時(shí)內(nèi)嵌DSP和FPU，計(jì)算能力足以滿足電機(jī)智能控制需求。硬件電路上添加光耦隔離以提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力，軟件上使用mbedOS[8]實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)專家PID的速度電流雙閉環(huán)控制，提高無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的控制精度和魯棒性，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，最后在油氣泵電機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)證明，該控制系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能和控制精度，具有工程參考價(jià)值。

1 S32K144芯片簡(jiǎn)介

S32K144是基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的32位微控制器，S324144提供高達(dá)144 MHz的CPU性能，同時(shí)具有DSP和FPU，計(jì)算能力足以滿足控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。并且具有512 KB的Flash和60 KB的SRAM。此外S32K144包括多個(gè)脈寬調(diào)制器、4個(gè)通用16位高級(jí)定時(shí)器等外設(shè)，通過軟件配置脈寬調(diào)制器即可輸出中心點(diǎn)脈寬CPWM信號(hào)，且支持死區(qū)時(shí)間設(shè)置，支持互補(bǔ)輸出，極大滿足電機(jī)控制需求。此外芯片上集成多種通信外設(shè)，如UART、SPI、I2C、CAN等，方便連接到不同接口信號(hào)的上位機(jī)或者液晶顯示屏，增強(qiáng)人機(jī)交互。

2 BLDCM結(jié)構(gòu)和工作原理

無刷直流電機(jī)本質(zhì)上是將直流電源輸出的直流電經(jīng)過逆變器后轉(zhuǎn)換為可以驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行的交流電[9]。文中的無刷直流電機(jī)采用三相星形橋式接法，如圖1所示。

圖1 無刷直流電機(jī)三相星形橋式接法

通過控制全橋電路中的功率MOSFET開關(guān)，達(dá)到給指定繞組施加電壓，實(shí)現(xiàn)任意時(shí)刻只有兩相繞組導(dǎo)通，剩余一相處于懸空，使電流能夠在不同時(shí)刻流過不同的繞組，產(chǎn)生方向變化磁場(chǎng)，推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)[10]。電機(jī)能夠同步運(yùn)行并產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，就需要保持定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)在空間上的相對(duì)靜止，使得產(chǎn)生的定子磁場(chǎng)的方向根據(jù)轉(zhuǎn)子位置的變化而變化。所以轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向是連續(xù)變化的，而定子磁場(chǎng)方向是不變的[11]。

由以上原理可知，無刷直流電機(jī)的電樞供電是由三相橋式逆變器供給的，因此就需要實(shí)現(xiàn)6個(gè)MOSFET的有序?qū)?。在一個(gè)電周期內(nèi)，位置傳感器輸出6種有效狀態(tài)，分別對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子的6個(gè)位置，再依據(jù)換向邏輯，對(duì)三相橋式逆變器輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，使三相定子繞組按照一定順序依次通電，使轉(zhuǎn)子能在持續(xù)平穩(wěn)的磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)[12-13]。電機(jī)轉(zhuǎn)速可以通過調(diào)節(jié)定子繞組的輸入電壓實(shí)現(xiàn)。因此可以通過調(diào)節(jié)PWM占空比實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)[14]。

3 BLDCM控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，主要包括位置信號(hào)處理電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、S32K144最小核心系統(tǒng)、母線電流檢測(cè)電路等。其中電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以及位置信號(hào)電路通過光耦進(jìn)行隔離，實(shí)現(xiàn)弱電和強(qiáng)電分離，提高信號(hào)輸出的抗干擾能力，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖2 無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 位置信號(hào)處理電路

位置信號(hào)由位置傳感器提供，但因?yàn)橥饨缫蛩氐母蓴_和安裝原因，其輸出信號(hào)通常帶有許多毛刺，若直接接入主控芯片引腳上，會(huì)影響輸出的PWM信號(hào)，易出現(xiàn)電機(jī)抖動(dòng)現(xiàn)象，嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致堵轉(zhuǎn)問題。對(duì)此設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)過濾電路，去除其中毛刺，使得位置信號(hào)更加平整，也可以減少軟件掃描，降低主控芯片的計(jì)算量，保證控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。位置信號(hào)處理電路如圖3所示，其中R1、R2和R3為上拉電阻，R4、R5和R6與C1、C2和C3組成低通濾波器，74HCT14為施密特觸發(fā)器。

圖3 位置信號(hào)處理電路

5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路主要包括全橋逆變電路和功率預(yù)驅(qū)動(dòng)電路。

5.1.1 全橋逆變電路

全橋電路由6個(gè)N型MOSFET管IRF3205[15]構(gòu)成。Q1、Q2和Q3為橋上臂，Q4、Q5和Q6為橋下臂，功率管依次導(dǎo)通順序?yàn)椋篞1Q6→Q1Q5→Q2Q4→Q2Q6→Q3Q5→Q3Q4。電路圖如圖4所示。

5.1.2 功率預(yù)驅(qū)動(dòng)電路

全橋逆變電路要能夠正常驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)，就必須保證上下橋臂的功率管能夠正確地按照主控芯片輸出的PWM信號(hào)切換。IRF3205的導(dǎo)通的條件為VGS有2～4 V壓差。由圖4可知，上橋臂的MOSFET源極輸入電壓為36 V，若要導(dǎo)通上橋臂MOSFET，其柵極就需要超過36 V的電壓，而S32K144輸出的PWM高電平最高為3.3 V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能夠驅(qū)動(dòng)上橋臂MOSFET，因此必須把上橋臂的柵極輸入升高到36 V以上才能正常驅(qū)動(dòng)MOSFET。這里選擇柵極智能驅(qū)動(dòng)芯片DRV8323SRAT[16]，該驅(qū)動(dòng)芯片可以驅(qū)動(dòng)3個(gè)高側(cè)和3個(gè)低側(cè)N型MOSFET，使用集成電荷泵為高側(cè)MOSFET 生成合適的柵極驅(qū)動(dòng)電壓，使用線性穩(wěn)壓器為低側(cè)MOSFET生成合適的柵極驅(qū)動(dòng)電壓，具有MOSFET過流保護(hù)、熱警告和熱關(guān)斷以及其他故障指示，3個(gè)可選集成式可調(diào)增益的電流檢測(cè)放大器，可以實(shí)現(xiàn)相電流或母線電流的檢測(cè)。DRV8323SRAT最小系統(tǒng)如圖5所示。

圖4 全橋逆變電路

圖5 DRV8323SRAT最小系統(tǒng)

6 S32K144最小核心系統(tǒng)

S32K144最小系統(tǒng)如圖6所示。S32K144為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，主要實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)輸出、轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測(cè)、母線電流檢測(cè)、轉(zhuǎn)速計(jì)算以及異常處理等。PWM信號(hào)由內(nèi)部高級(jí)定時(shí)器FTM產(chǎn)生，并且附帶死區(qū)時(shí)間設(shè)置，可以避免上下橋臂導(dǎo)通。通過3個(gè)帶有雙邊沿中斷的I/O口捕獲轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。

圖6 S32K144最小系統(tǒng)

母線電流檢測(cè)采用低邊檢測(cè)法，即在全橋電路的低邊輸出串聯(lián)檢測(cè)電阻，檢測(cè)電阻的大小需要根據(jù)電機(jī)實(shí)際相間電阻進(jìn)行選擇，本實(shí)驗(yàn)使用檢測(cè)電阻為1 mΩ的精密電阻R7，結(jié)合DRV8323SRAT內(nèi)部自帶電流增益放大器，實(shí)現(xiàn)母線電流采集。電流檢測(cè)電路如圖7所示。

圖7 電流檢測(cè)電路

7 BLDCM控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

硬件電路是控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，無刷直流電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性依賴于軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在軟件設(shè)計(jì)時(shí)采用軟件工程中構(gòu)件化和面向?qū)ο蟮母拍?，?duì)BLDCM要素進(jìn)行提取，包括目標(biāo)轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速、目標(biāo)電流與實(shí)際電流等。操作系統(tǒng)選擇mbedOS，mbedOS是針對(duì)Cortex-M系列推出的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)代碼精簡(jiǎn)、可移植性好，且支持多線程操作以及搶占式，很契合電機(jī)控制實(shí)時(shí)性要求?？刂葡到y(tǒng)的下位機(jī)設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)2種控制：一是轉(zhuǎn)速控制，通過調(diào)節(jié)PWM占空比控制電機(jī)轉(zhuǎn)速；二是換向控制，即根據(jù)位置傳感器反饋的位置信號(hào)進(jìn)行換相操作。

7.1 速度電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用電機(jī)速度電流雙閉環(huán)控制，框架如圖8所示。電流環(huán)能夠保證電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出；速度環(huán)可以保證速度精度。母線電流經(jīng)過放大濾波處理后輸入到微控制器的AD引腳進(jìn)行采集，可以直接讀取A/D通道值獲取并采集多次進(jìn)行均值濾波處理，處理后得到的電流值作為電流環(huán)PID控制的反饋值。同時(shí)在雙閉環(huán)調(diào)節(jié)過程中保護(hù)系統(tǒng)一直存在，可以設(shè)置電流閾值、電壓閾值，若檢測(cè)到電機(jī)處于過流或過壓狀態(tài)，控制系統(tǒng)立刻停止PWM輸出，并且關(guān)閉電源，以保護(hù)系統(tǒng)。

圖8 無刷直流電機(jī)控制結(jié)構(gòu)框圖

7.1.1 實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速計(jì)算

電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算是通過I/O口捕獲霍爾信號(hào)邊沿中斷，利用定時(shí)器計(jì)算相鄰2次中斷時(shí)間間隔記Δt。根據(jù)式(1)獲取到霍爾信號(hào)頻率。

(1)

式中：T為霍爾時(shí)間周期，s；f為霍爾信號(hào)頻率，Hz。

因?yàn)槭褂秒p邊沿中斷，并且同時(shí)捕獲A、B、C霍爾信號(hào)，因此相鄰兩次中斷時(shí)間間隔Δt為整個(gè)霍爾周期T的1/6，即可得到T的值為

T=6Δt

(2)

電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速和霍爾信號(hào)頻率關(guān)系式為

(3)

式中：S為實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，r/min；P為電機(jī)的極對(duì)數(shù)。

由式(1)、式(2)和式(3)得電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速表達(dá)式為

(4)

7.1.2 母線電流計(jì)算

母線電流計(jì)算是閉環(huán)電路中重要的一部分，同時(shí)根據(jù)母線電流可以對(duì)電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)電流過大時(shí)，可以及時(shí)采取措施保護(hù)控制器，防止出現(xiàn)電機(jī)電流故障，控制器燒毀等。圖7中構(gòu)建了一個(gè)母線電流檢測(cè)方案，即將三相的低邊不直接接入地，其中添加一個(gè)阻值較小的檢測(cè)電阻，本次使用的電阻為1 mΩ，將電阻兩端接入DRV8323SRAT的電流檢測(cè)引腳上，經(jīng)其內(nèi)部放大電路后輸出A/D信號(hào)，主控芯片根據(jù)采集到的A/D信號(hào)值Vad，由式(5)可計(jì)算出當(dāng)前母線電流值。

I=(Vref-Vad)/[(2X-1)QR]

(5)

式中：I為電流，A；Vref為A/D參考電壓，實(shí)驗(yàn)采用3.3 V參考電壓值；X為A/D轉(zhuǎn)換精度，采用12位轉(zhuǎn)換精度；Q為放大器增益倍數(shù)，可以選擇40、20、10等不同增益，具體參考文獻(xiàn)[16]對(duì)寄存器的配置；R為電阻阻值，Ω。

7.2 專家PID控制策略設(shè)計(jì)

基于MCU的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)會(huì)因?yàn)橘Y源受限，選擇較復(fù)雜的控制策略時(shí)，由于計(jì)算量過大，往往會(huì)犧牲控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，使得電機(jī)的運(yùn)行效果不僅沒有改善，反而添加了許多不穩(wěn)定性。S32K144既具備MCU的低功耗，支持多種外設(shè)，同時(shí)又具有DSP，并且加入FPU，加快了浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算速率。傳統(tǒng)PID控制思想非常簡(jiǎn)單，其主要難點(diǎn)在于比例、積分、微分環(huán)節(jié)上的參數(shù)整定過程，對(duì)于執(zhí)行器控制模型確定或者控制模型簡(jiǎn)單的系統(tǒng)而言，參數(shù)整定可以通過計(jì)算獲得，對(duì)于一般精度要求的執(zhí)行器系統(tǒng)，可以采用拼湊的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)型的整定。然而，在實(shí)際的控制系統(tǒng)中，線性系統(tǒng)畢竟是少數(shù)，大部分的系統(tǒng)屬于非線性系統(tǒng)，無刷直流電機(jī)控制屬于非線性系統(tǒng)，如果控制精度要求較高的話，那么對(duì)于參數(shù)的整定過程是有難度的，為滿足這方面的需求而設(shè)計(jì)專家PID。專家算法歸屬于智能算法的范疇，智能算法最大的優(yōu)點(diǎn)就是在控制模型未知的情況下，可以對(duì)模型進(jìn)行控制。專家系統(tǒng)不是對(duì)原有的控制器進(jìn)行簡(jiǎn)單加和，是對(duì)PID控制器參數(shù)整定上的應(yīng)用。傳統(tǒng)的增量式PID離散化表達(dá)式如下：

Uk=Uk-1+Kp(ek-ek-1)+Kiek+Kd(ek-2ek-1+ek-2)

(6)

式中：Uk為第k次輸出結(jié)果；Uk-1為第k-1次輸出結(jié)果；Kp、Ki和Kd分別為比例、積分和微分參數(shù)；ek、ek-1和ek-2分別為第k次、第k-1次和第k-2次誤差。

專家PID控制是根據(jù)誤差及誤差變化率設(shè)計(jì)其中的Kp、Ki和Kd，增強(qiáng)其動(dòng)態(tài)特性。該控制器主要可分為5種情況，首先規(guī)定一個(gè)誤差的極限值，假設(shè)為Max；規(guī)定一個(gè)誤差的比較大的值，假設(shè)為Mid；規(guī)定一個(gè)誤差的較小值，假設(shè)為Min；同時(shí)添加2個(gè)誤差變化Δek和Δek-1，分別表示第k次誤差變化以及第k-1次誤差變化。

Δek=ek-ek-1

(7)

Δek-1=ek-1-ek-2

(8)

(1)若|ek|>Max，則表示當(dāng)前實(shí)際值和目標(biāo)值之間的誤差超出了最大范圍，為了能夠保證精度以及調(diào)整的實(shí)時(shí)性，控制器的輸出選擇最大或者最小值。

(2)若ek·Δek>0，則表示誤差絕對(duì)值在不斷增大。且此時(shí)|ek|>Mid，則表示誤差較大，可以選擇較強(qiáng)的PID控制輸出；如果|ek|

(3)若ek·Δek<0且Δek·Δek-1>0或ek=0時(shí)，則表示誤差絕對(duì)值逐漸變小，或者已經(jīng)進(jìn)入飽和狀態(tài)，此時(shí)無需進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，直接按原樣輸出即可。

(4)若ek·Δek<0且Δek·Δek-1<0或ek=0時(shí)，則表示誤差絕對(duì)值逐漸變小，說明此時(shí)的誤差處于極限狀態(tài)，若此時(shí)的誤差絕對(duì)值大于Mid，可以使用較強(qiáng)的PID控制；若誤差絕對(duì)值較小，可以使用調(diào)節(jié)較弱的PID控制。

(5)若|ek|

上面的邏輯判斷過程，實(shí)際上就是對(duì)于控制系統(tǒng)的一個(gè)專家判斷過程。其中較強(qiáng)PID控制即使用的比例系數(shù)大一些，較弱PID控制即使用的比例系數(shù)小一些。

7.3 軟件控制整體流程

由上述分析可知，軟件控制主要實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)控制以及專家PID控制策略設(shè)計(jì)。因此將工程主要分成2個(gè)線程和多個(gè)中斷。線程一主要處理速度環(huán)和電流環(huán)控制以及電流的獲取，線程二為上下位機(jī)通信線程，用于接收上位機(jī)的命令以及向上位機(jī)發(fā)送電機(jī)運(yùn)行信息。中斷主要包括霍爾信號(hào)接收中斷、故障信息中斷、上位機(jī)信息接收中斷?；魻栃盘?hào)接收中斷主要是用于處理換向；故障信息中斷是當(dāng)DRV8323SRAT檢測(cè)到有過流、過溫或者欠壓時(shí)進(jìn)行及時(shí)處理。其流程圖如圖9所示。

圖9 軟件總體實(shí)現(xiàn)流程圖

8 實(shí)驗(yàn)

選取試驗(yàn)電機(jī)為油氣泵無刷直流電機(jī)，測(cè)試器件如圖10所示。

圖10 控制驅(qū)動(dòng)板和油氣泵電機(jī)

油氣泵電機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 油氣泵電機(jī)參數(shù)表

圖11為600 r/min轉(zhuǎn)速下U、V、W端線電壓，由上至下分別為U、V、W三相端電壓。其波形光滑平整，滿足電機(jī)運(yùn)行要求。圖12為在該轉(zhuǎn)速下A、B、C霍爾信號(hào)(由上至下)以及母線電流，從圖12看出母線電流平穩(wěn)。

圖11 U、V、W端電壓

圖12 A、B、C霍爾信號(hào)以及電流信號(hào)

圖13為上位機(jī)電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速折線圖，上位機(jī)每秒向下位機(jī)獲取一次實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。從圖13可以看出電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，在接收到上位機(jī)的加速和減速指令后能快速響應(yīng)。

圖13 上位機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速折線圖

表2為在使用電機(jī)控制板驅(qū)動(dòng)油氣泵電機(jī)運(yùn)行結(jié)果。從表2可以看出在電機(jī)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，其實(shí)際轉(zhuǎn)速和目標(biāo)轉(zhuǎn)速之間的誤差區(qū)間基本在±0.5%之內(nèi)，能夠在1 s的時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，基本可以滿足電機(jī)驅(qū)動(dòng)要求。

表2 電機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

9 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)以S32K144為核心的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，運(yùn)用mbedOS嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)專家PID實(shí)現(xiàn)速度電流雙閉環(huán)控制。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠?qū)o刷直流電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，調(diào)速更加穩(wěn)定，響應(yīng)速度加快，超調(diào)降低，電機(jī)抖動(dòng)現(xiàn)象減少，能夠較好地滿足工業(yè)控制需求。