楊馥華，康婷霞

（惠州市技師學(xué)院電子工程系，廣東惠州 516003）

隨著電力電子、電機(jī)控制理論、永磁材料技術(shù)的更新，無(wú)刷電機(jī)得到了快速發(fā)展。無(wú)刷電機(jī)去掉了傳統(tǒng)電機(jī)電刷的滑動(dòng)接觸部分和轉(zhuǎn)子繞組部分，具有體積小、故障率低、低噪聲、無(wú)火花、效率高的優(yōu)點(diǎn)，其具有優(yōu)良的起動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)性能，在家用電器、工業(yè)控制、機(jī)器人等對(duì)控制精度要求高的場(chǎng)合，得到了普遍應(yīng)用。特別是一些精密的機(jī)床設(shè)備，機(jī)械手臂等工控設(shè)備，不僅對(duì)控制精度要求高，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)過(guò)度提出了更高的要求，無(wú)刷電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的精密加工，提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)可以延長(zhǎng)設(shè)備壽命[1]。

PWM（脈沖寬度調(diào)整技術(shù)）是最常用的直流調(diào)速技術(shù)，利用單片機(jī)的定時(shí)器產(chǎn)生的精準(zhǔn)脈沖信號(hào)，經(jīng)分頻和運(yùn)放后，通過(guò)控制功率場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通和關(guān)斷來(lái)調(diào)整輸出直流電壓的脈沖寬度，使輸出的電壓成為一系列幅值相同的、可調(diào)的電脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電壓的精準(zhǔn)控制，來(lái)滿足電機(jī)的調(diào)速需求。

在調(diào)速系統(tǒng)中，開(kāi)環(huán)系統(tǒng)對(duì)于穩(wěn)定性要求高、響應(yīng)快的場(chǎng)合，常常難以達(dá)到要求。文中設(shè)計(jì)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)通過(guò)對(duì)電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)、電流進(jìn)行采樣，通過(guò)反電動(dòng)勢(shì)來(lái)確定電機(jī)的速度，通過(guò)檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電流確定電機(jī)功率，使單片機(jī)獲得當(dāng)前的電機(jī)運(yùn)行參數(shù)，進(jìn)行PID 運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的自動(dòng)修正。雙閉環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)速度快，在上下坡、有無(wú)負(fù)載情況下都能夠?qū)﹄姍C(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)的速度控制[2]。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)工作原理

該調(diào)速系統(tǒng)采用ST 系列單片機(jī)，利用定時(shí)器產(chǎn)生PWM 信號(hào)，采集電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流、電機(jī)端的反電動(dòng)勢(shì)，進(jìn)行PID 運(yùn)算，構(gòu)成反饋系統(tǒng)。根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，調(diào)整PWM 信號(hào)，通過(guò)圖騰柱電路將單片機(jī)的控制信號(hào)放大、分隔，使其有足夠的功率來(lái)開(kāi)通或者關(guān)斷MOS 管，以獲得準(zhǔn)確的控制信號(hào)，穩(wěn)定地調(diào)節(jié)電機(jī)電壓，控制轉(zhuǎn)速。該系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的電機(jī)額定電壓為18 V，額定電流為4.5 A[3]。

1.2 硬件電路的組成

由于系統(tǒng)輸入的是頻率為1～20 kHz，幅值為18 V的交流電，為了保證系統(tǒng)電源的穩(wěn)定性以及可靠性，需要通過(guò)整流橋整流，使整個(gè)系統(tǒng)取得直流電壓。通過(guò)整流電路后的電壓幅值可達(dá)到22 V，而且變化較大，不能用于對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的MCU 和部分芯片提供電源。因此再對(duì)整流后的電壓進(jìn)行整流降壓，使其穩(wěn)定在5 V。此處降壓之后壓差較大，因此采用DC-DC 降壓方式，可使降壓之后的功率損耗小?；贛P2359開(kāi)關(guān)頻率高、損耗功率小、輸出電壓紋波小、輸出電流大、體積小的優(yōu)點(diǎn)，選取MP2359作為開(kāi)關(guān)整流電路。MP2359輸入電壓可達(dá)4.5～24 V，開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)1.4 MHz，輸出電壓可達(dá)0.81～15 V，輸出電流最大值可達(dá)1.2 A，效率高達(dá)92%[4]。開(kāi)關(guān)整流電路如圖1所示。

圖1 開(kāi)關(guān)整流電路

系統(tǒng)輸入電壓穩(wěn)定在5 V，單片機(jī)工作電壓為3.3 V，所以，需提供一個(gè)噪音小、靜電電流低的降壓芯片。由于降壓后壓差較小，文中采用線性降壓電路，LDO 芯片穩(wěn)定性好、負(fù)載響應(yīng)快、輸出紋波小。所以，采取XC6206P332MR 芯片把5 V 電壓降壓到3.3 V。此芯片電路應(yīng)用簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定可靠，功耗較低，輸出電流可達(dá)200 mA[5]。LDO 電路如圖2 所示。

圖2 LDO電路

功率驅(qū)動(dòng)選用H 橋電路，H 的橋臂采用MOS管。利用兩個(gè)N 溝道MOS 管和兩個(gè)P 溝道MOS 管，為了使該控制電路更簡(jiǎn)易，此處采用ECH8660 芯片作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，ECH8660 為復(fù)合MOS 芯片，里面集成了一個(gè)PMOS 和NMOS 的雙MOS 芯片[6]。MOS 驅(qū)動(dòng)電路如圖3 所示。

在不同時(shí)刻，電流經(jīng)過(guò)MOS 芯片接入電機(jī)的兩端，不停地產(chǎn)生電磁力，推動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生大小、方向不同的電磁力，推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。通過(guò)切換H 橋電路的4 個(gè)柵極（G 極）的高低電平狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，控制柵極的開(kāi)關(guān)頻率，進(jìn)而控制電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速。在任意時(shí)刻，對(duì)于H 橋電路中，只能控制其中一個(gè)PMOS 和另外一個(gè)NMOS 開(kāi)通，否則會(huì)造成MOS 的“短路”，燒毀MOS芯片或者其他器件。為了防止MOS 的“短路”和意外短路（如氣候干燥的時(shí)候人體靜電接觸），需要在程序中設(shè)置死區(qū)時(shí)間，同時(shí)在GS 極之間加二極管保護(hù)電路。因此在此控制方式中，在控制PMOS 的柵極前端加一個(gè)圖騰式驅(qū)動(dòng)電路來(lái)加快PMOS 的開(kāi)關(guān)響應(yīng)，增加電機(jī)驅(qū)動(dòng)的可靠性和安全性[7-8]。

圖3 MOS驅(qū)動(dòng)電路

當(dāng)MOS 管關(guān)斷時(shí)，電機(jī)線圈可能會(huì)給造成MOS管的DC 擊穿，因此，選取的PMOS 需要在內(nèi)部集成一個(gè)二極管，該系統(tǒng)選取ECH8660 芯片，該芯片在GS 極之間集成了一個(gè)穩(wěn)壓二極管，可以實(shí)現(xiàn)靜電保護(hù)，防止MOS 意外擊穿。

由于驅(qū)動(dòng)MOS 開(kāi)斷需要高頻率以達(dá)到減小噪音的目的，因此需要對(duì)MOS 的G 極進(jìn)行高速開(kāi)斷。在電壓一定的情況下，需要給MOS 的DS 之間盡可能地提供一個(gè)大電流，使MOS 快速開(kāi)斷，因此，該文為MOS 的驅(qū)動(dòng)增加了圖騰柱方式來(lái)獲得一個(gè)大的電流驅(qū)動(dòng)，加快MOS 管的響應(yīng)速度，減小死區(qū)時(shí)間。圖4為PMOS 的驅(qū)動(dòng)電路，MOS 管是壓控元件，需要提供給柵極一個(gè)足夠高的電壓，而單片機(jī)輸出的電壓不足以控制該MOS 的柵極開(kāi)關(guān)，通過(guò)增大驅(qū)動(dòng)電流來(lái)控制MOS 開(kāi)斷，此處使用圖騰柱電路來(lái)放大PWM 控制信號(hào)是非常合適[9]的。圖騰柱驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率為當(dāng)前輸入電壓乘以當(dāng)前輸入電流，而當(dāng)前的驅(qū)動(dòng)電壓可以通過(guò)PWM 的輸出頻率以及占空比的運(yùn)算獲得。在電流檢測(cè)電路中，采集驅(qū)動(dòng)電流的大小，由于分流后的電流太小，需要加一個(gè)運(yùn)放放大后送入單片機(jī)采樣，根據(jù)此電流判斷當(dāng)前的驅(qū)動(dòng)電流大小，實(shí)現(xiàn)當(dāng)前電機(jī)的功率檢測(cè)。如果檢測(cè)到功率異常，則單片機(jī)會(huì)立即關(guān)斷MOS 的柵極以保護(hù)電路板的安全，此電路也可以作為過(guò)流保護(hù)器使用[10-11]。圖5 為功率檢測(cè)電路圖。

2 控制程序設(shè)計(jì)

圖4 圖騰柱驅(qū)動(dòng)電路

圖5 功率檢測(cè)電路

該文整體控制思路為：在電路板上電復(fù)位后，先等待控制器發(fā)來(lái)一個(gè)指令，校驗(yàn)指令是否正確，如果不正確，則繼續(xù)等待指令；如果正確，則解碼指令里面的速度和方向指令，并且按照接受到的速度指令輸出滿足需求的PWM 信號(hào)，控制電機(jī)啟動(dòng)。同時(shí)開(kāi)啟檢測(cè)指令，來(lái)檢測(cè)功率和速度。如果加入負(fù)載或者遇到上坡，檢測(cè)到的速度和原來(lái)的有偏差，則將該偏差送入單片機(jī)進(jìn)行PID 運(yùn)算，在很短的時(shí)間內(nèi)再次調(diào)節(jié)到當(dāng)前速度，由此構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。如果檢測(cè)到當(dāng)前速度與原速度一致，則不更改PWM 的輸出占空比（即按照當(dāng)前速度繼續(xù)運(yùn)行），使電機(jī)始終工作在恒定速度[12-13]。程序流程圖如圖6 所示。

圖6 控制程序流程圖

電機(jī)端的反電動(dòng)勢(shì)作為速度環(huán)的反饋信號(hào)采集，反饋值在單片機(jī)中做PID 計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，調(diào)整PWM 的輸出波形，輸出當(dāng)前指令速度的PWM信號(hào)，使電機(jī)始終處于當(dāng)前控制指令中的速度。在控制電機(jī)加減速的過(guò)程中，需要注意加減速曲線的平滑，否則會(huì)造成電機(jī)的控制不平穩(wěn)，甚至造成設(shè)備的損壞。如果加減速曲線調(diào)節(jié)的足夠光滑，電機(jī)速度的變化會(huì)非常穩(wěn)定，不會(huì)使設(shè)備或者其他電機(jī)驅(qū)動(dòng)的裝置發(fā)生震顫。

2.1 無(wú)刷電機(jī)數(shù)學(xué)模型

無(wú)刷電機(jī)和傳統(tǒng)直流電機(jī)的運(yùn)行特性基本相同，他勵(lì)直流電機(jī)電樞回路電壓平衡方程如下[14]：

式中，額定勵(lì)磁下的負(fù)載轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)速和反電動(dòng)勢(shì)之間的關(guān)系為：

2.2 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)PID算法

該次仿真的目的是使直流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的功率適應(yīng)負(fù)載的變化（例如當(dāng)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載上下坡行駛時(shí)）。系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量電動(dòng)機(jī)的速度和功率，當(dāng)檢測(cè)到功率不變，速度減慢，而速度指令卻依舊還是未變時(shí)，可判斷出當(dāng)前為負(fù)載加大狀態(tài)，需要加大功率來(lái)達(dá)到穩(wěn)定當(dāng)前速度的效果，按照這種方式構(gòu)成一個(gè)速度恒定的過(guò)程調(diào)節(jié)，對(duì)電動(dòng)機(jī)的變化做出反應(yīng)[15-17]。以下為PID 部分程序：

3 實(shí)驗(yàn)分析

獲取電機(jī)轉(zhuǎn)速有兩種常用方式：一種是直接采集電機(jī)轉(zhuǎn)速，在電機(jī)端裝載光電編碼器或者霍爾傳感器，通過(guò)采集傳感器發(fā)出的脈沖信號(hào)，直接獲取當(dāng)前的轉(zhuǎn)速；另一種是間接采集電機(jī)轉(zhuǎn)速，檢測(cè)電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)反電動(dòng)勢(shì)的變化計(jì)算電機(jī)的速度變化。

為了提高系統(tǒng)的可靠性，通過(guò)采集反電動(dòng)勢(shì)實(shí)現(xiàn)速度檢測(cè)，如果需要精密速度控制，則要把反電動(dòng)勢(shì)與電機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)結(jié)合起來(lái)。由于反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)不是一個(gè)平滑的信號(hào)，因此在采集到反電動(dòng)勢(shì)后需要進(jìn)行數(shù)字濾波處理，得到的仿真結(jié)果如圖7 所示。在電動(dòng)機(jī)恒速運(yùn)行，電機(jī)起動(dòng)后，0.06 s 時(shí)刻負(fù)載增加，同時(shí)反電動(dòng)勢(shì)變化，通過(guò)采集反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓使得電機(jī)再次達(dá)到速度的設(shè)定值。從實(shí)驗(yàn)曲線可以看出，超調(diào)量小于4 %，調(diào)節(jié)時(shí)間為50 ms 左右，穩(wěn)態(tài)誤差小于3%。該控制系統(tǒng)具有良好的快速性和準(zhǔn)確性。

4 結(jié)束語(yǔ)

圖7 仿真結(jié)果

無(wú)刷電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)反饋，對(duì)于低速、恒定運(yùn)行和無(wú)法接入編碼器的情況來(lái)說(shuō)非常實(shí)用。反電動(dòng)勢(shì)可直接采集得到，雖然轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)程需要計(jì)算，但是節(jié)省了安裝光電編碼器的空間，并且大大節(jié)省了傳感器的成本，提高了系統(tǒng)的可靠性，尤其在空間狹小、傳感器容易發(fā)生故障的場(chǎng)合，比如在電機(jī)處在浸沒(méi)的環(huán)境中（如壓縮機(jī)或泵）。測(cè)試表明，按照此類(lèi)硬件設(shè)計(jì)和程序控制，系統(tǒng)能夠滿足電機(jī)的運(yùn)行調(diào)速要求，電機(jī)產(chǎn)生的功率能夠適應(yīng)負(fù)載的變化，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，速度切換過(guò)程中，可以實(shí)現(xiàn)速度的平滑調(diào)節(jié)（在各級(jí)速度調(diào)節(jié)之間無(wú)抖動(dòng)），響應(yīng)速度快，控制準(zhǔn)確度高。