王新彪，俞建定，王　青（寧波大學(xué)　信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江　寧波　315211）

基于ARM的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王新彪，俞建定，王青
（寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江寧波315211）

為了滿(mǎn)足對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)快速、平穩(wěn)、準(zhǔn)確調(diào)速的要求，設(shè)計(jì)了一種以Cortex_M3內(nèi)核為平臺(tái)的無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）控制系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了該控制系統(tǒng)的硬件及軟件部分。運(yùn)用操作系統(tǒng)FreeRTOS實(shí)時(shí)調(diào)度任務(wù)，采用速度、電流雙PID控制算法，形成無(wú)刷電機(jī)的雙環(huán)實(shí)時(shí)控制。為了更加有效地降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了一種12扇區(qū)無(wú)磁鏈觀測(cè)的二三導(dǎo)通模式直接轉(zhuǎn)矩控制。試驗(yàn)結(jié)果證明，該控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快、調(diào)速范圍廣且精度高、性能穩(wěn)定可靠、成本和功耗皆低，應(yīng)用前景十分廣泛。

直流無(wú)刷電機(jī)；直接轉(zhuǎn)矩控制；PID算法；轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)

0　引言

近些年來(lái)，隨著控制理論及電子技術(shù)的迅速發(fā)展，無(wú)刷電機(jī)電子換相逐漸取代了傳統(tǒng)的有刷直流電機(jī)的機(jī)械換相［1-2］。本文提出在中小功率的無(wú)刷電機(jī)的控制系統(tǒng)中采用ST公司以Cortex—M3為內(nèi)核的STM32f103作為核心處理器，它自身帶有反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)功能，專(zhuān)門(mén)用于電機(jī)控制的外設(shè)，簡(jiǎn)化了外圍電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使其成本大幅降低。

由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的控制技術(shù)仍不成熟，為降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制成為了研究的新方向。傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制方法通過(guò)優(yōu)選的電壓矢量對(duì)電機(jī)定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩直接進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的直接控制［3-4］。在無(wú)刷直流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制中，由于反電勢(shì)為方波，常用的導(dǎo)通方式是120°導(dǎo)通方式，對(duì)應(yīng)的空間電壓矢量的選擇與傳統(tǒng)的電壓矢量也不同［5］。為了更加有效地降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，本文實(shí)現(xiàn)一種12扇區(qū)無(wú)磁鏈觀測(cè)的二三導(dǎo)通模式直接轉(zhuǎn)矩控制［6］。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工作原理

該控制系統(tǒng)主要包含輸入保護(hù)電路、MOSFET驅(qū)動(dòng)、模數(shù)轉(zhuǎn)換、采樣保持、電池充電檢測(cè)、電子剎車(chē)、電流保護(hù)、通信模塊。該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)工作原理及功能如下：使用FreeRTOS操作系統(tǒng)建立4個(gè)任務(wù)設(shè)定優(yōu)先級(jí)：AD檢測(cè)任務(wù)、串口通信任務(wù)、模式及速度控制任務(wù)、故障報(bào)警指示任務(wù)。AD檢測(cè)任務(wù)每2ms執(zhí)行一次，若有過(guò)流、長(zhǎng)時(shí)間堵轉(zhuǎn)或其他突發(fā)性故障，故障指示燈將報(bào)警并關(guān)斷輸出停止電機(jī)運(yùn)行。若無(wú)上述故障，則處理器將根據(jù)人機(jī)界面通過(guò)串口發(fā)送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行解碼，然后設(shè)置相應(yīng)的轉(zhuǎn)子速度及運(yùn)行模式。根據(jù)定時(shí)器中斷捕獲到霍爾的變化，分析電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，然后根據(jù)定子轉(zhuǎn)動(dòng)方向來(lái)控制功率管的開(kāi)關(guān)順序，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度［7］。

2　硬件設(shè)計(jì)

2.1STM32f103簡(jiǎn)介

STM32是32位處理器，工作頻率高達(dá)72MHz，速度達(dá)120MIPS，內(nèi)部集成多路高精度12位AD，6個(gè)普通定時(shí)器，兩個(gè)16位高級(jí)定時(shí)器，每個(gè)可產(chǎn)生6路捕獲/比較通道可輸出6路互補(bǔ)PWM，還有剎車(chē)和死區(qū)控制，是一款專(zhuān)用電機(jī)控制芯片，不僅簡(jiǎn)化了外圍電路設(shè)計(jì)，而且節(jié)省成本，結(jié)合實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)FreeRTOS，更充分有效地運(yùn)用了CPU資源，使各個(gè)任務(wù)實(shí)時(shí)快速響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)操作的快速靈活。

2.2電流采樣及保護(hù)電路

在圖2所示的電流采樣及保護(hù)電路中，當(dāng)電機(jī)帶負(fù)載時(shí)，有時(shí)電流會(huì)達(dá)到幾安培，為了處理器正常工作及采樣，需要采用阻值小且精確、體積小的康銅絲作為采樣電阻，電流信號(hào)經(jīng)康銅絲采樣之后分兩路，分別送至放大器和比較器。放大器用來(lái)實(shí)時(shí)放大采樣過(guò)來(lái)的電流信號(hào)，放大約20倍，放大后的信號(hào)提供給處理器進(jìn)行AD采樣轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的AD值不能超過(guò)規(guī)定值。另一路信號(hào)送至比較器，當(dāng)電流由于某種原因大大超過(guò)允許值時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)送出低電平，觸發(fā)單片機(jī)的大電流中斷，使單片機(jī)能夠快速關(guān)斷驅(qū)動(dòng)，從而保護(hù)MOSFET避免受到更大的傷害［8-10］。

圖2　電流采樣及保護(hù)電路

2.3功率逆變驅(qū)動(dòng)電路

如圖3所示，功率逆變驅(qū)動(dòng)電路中，功率開(kāi)關(guān)器件采用隔離驅(qū)動(dòng)方式將多路驅(qū)動(dòng)電路、控制電路、主電路互相隔離，以免引起嚴(yán)重的后果。本系統(tǒng)采用美國(guó)IR公司生產(chǎn)的IR2101S，它具有獨(dú)立的低端和高端輸入通道；懸浮電源采用自舉電路，邏輯電源電壓范圍大，為系統(tǒng)模塊化的設(shè)計(jì)帶來(lái)了方便，極大降低了開(kāi)發(fā)成本，縮短了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期［11］；快速恢復(fù)二極管Fr10和R39組成自舉電路。

圖3　功率逆變驅(qū)動(dòng)電路

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1控制策略

將二二導(dǎo)式與三三導(dǎo)通模式相結(jié)合，得到新的二三導(dǎo)通模式，該導(dǎo)通模式共有12個(gè)電壓矢量，電壓矢量增加使60°扇區(qū)變?yōu)?0°扇區(qū)，能有效地減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。在定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩控制方面，12個(gè)電壓矢量的調(diào)節(jié)比6電壓空間矢量更準(zhǔn)確。12個(gè)電壓矢量組合分成12個(gè)扇區(qū)，扇區(qū)劃分如圖4所示。二三導(dǎo)通劃分扇區(qū)的方法和三三導(dǎo)通一樣，二三導(dǎo)通是電壓矢量的15°范圍內(nèi)作為一個(gè)扇區(qū)。

圖4　扇區(qū)劃分圖

本文詳細(xì)地分析了無(wú)磁鏈觀測(cè)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制，得到轉(zhuǎn)矩偏差的表達(dá)式為：

其中，p為極對(duì)數(shù)，Δφsq為定子交軸磁鏈變化量，Lq為電機(jī)交軸電感，φr為轉(zhuǎn)子磁鏈，θe為轉(zhuǎn)子相對(duì)于ɑ軸夾角。

由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于電氣時(shí)間常數(shù)，當(dāng)電壓矢量起作用時(shí)，認(rèn)為轉(zhuǎn)子位置不變。在轉(zhuǎn)子位置不變的情況下，dφr/dθe也保持不變，為迅速調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩偏差，應(yīng)該選擇交軸分量最大的電壓矢量。近似地在保持定子磁鏈幅值不變的情況下，施加垂直于轉(zhuǎn)子磁鏈方向的電壓矢量，迅速補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩偏差。以扇區(qū)Ⅰ為例，如圖5所示，Ψr為轉(zhuǎn)子磁鏈，V4與V10可近似地認(rèn)為與30°扇區(qū)垂直。施加V4，增加轉(zhuǎn)矩；施加V10，減小轉(zhuǎn)矩。

圖5　扇區(qū)Ⅰ中轉(zhuǎn)子磁鏈與電壓矢量

隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到不同的扇區(qū)，以此規(guī)律，得到最優(yōu)電壓矢量選擇表，如表1所示。

表1　電壓矢量選擇表

無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)磁鏈觀測(cè)直接轉(zhuǎn)矩控制框圖如圖6所示。

圖6　直接轉(zhuǎn)矩控制框圖

3.2程序設(shè)計(jì)

本控制器軟件系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)FreeRTOS來(lái)調(diào)度各個(gè)任務(wù)，它是一個(gè)輕量級(jí)的微內(nèi)核RTOS，支持優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法，可根據(jù)每個(gè)任務(wù)的重要程度來(lái)賦予其一定的優(yōu)先級(jí)，CPU總是讓處于就緒態(tài)的、優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)先運(yùn)行，可極大地提高CPU的運(yùn)行效率，保證各個(gè)任務(wù)實(shí)時(shí)快速響應(yīng)。

本系統(tǒng)運(yùn)用RTOS創(chuàng)建了4個(gè)任務(wù)，具體如下：

（1）電機(jī)轉(zhuǎn)子模式及轉(zhuǎn)速設(shè)置，優(yōu)先級(jí)為4，如果接收到有效命令則執(zhí)行相應(yīng)的設(shè)置及操作，人的響應(yīng)時(shí)間為100ms左右，為了讓人感覺(jué)操作靈敏，任務(wù)每20ms執(zhí)行一次，即得到命令后20ms內(nèi)CPU就會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的設(shè)置。

（2）AD檢測(cè)任務(wù)，優(yōu)先級(jí)為2，對(duì)采集來(lái)的電流與程序中設(shè)置的閾值進(jìn)行比較，若超過(guò)最大值，則使電機(jī)進(jìn)入保護(hù)或者報(bào)警模式，若采集電流值正常，則進(jìn)行速度PID調(diào)節(jié)、電流PI調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)、限幅輸出PWM，直至電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。

（3）串口通信任務(wù)，優(yōu)先級(jí)為3，人機(jī)界面每33ms自動(dòng)發(fā)一次命令給控制器，控制器進(jìn)行命令解碼，若收到的數(shù)據(jù)有效，中斷程序釋放一個(gè)信號(hào)量，串口通信任務(wù)得到信號(hào)量后，任務(wù)從掛起恢復(fù)執(zhí)行，把得到的命令傳送給任務(wù)1，若發(fā)送成功，返回一個(gè)應(yīng)答命令，然后任務(wù)重新掛起，等待下一次信號(hào)量的到來(lái)。

（4）故障報(bào)警指示任務(wù)，優(yōu)先級(jí)為5，若缺相、霍爾位置錯(cuò)誤、電流過(guò)大、堵轉(zhuǎn)則相應(yīng)的LED會(huì)閃爍，并且讓電機(jī)停止運(yùn)行，關(guān)斷繼電器，能迅速找到錯(cuò)誤所在，節(jié)省維修調(diào)試時(shí)間。

程序系統(tǒng)框架如圖7所示。

圖7　程序系統(tǒng)框架

軟件部分把4個(gè)任務(wù)的部分控制概括融合后進(jìn)行了簡(jiǎn)要描述，直觀體現(xiàn)了電機(jī)的整個(gè)控制流程。另外，對(duì)于電機(jī)控制系統(tǒng)的擴(kuò)展部分，如鍵盤(pán)顯示、數(shù)據(jù)通信等設(shè)計(jì)也都有過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)論述，就不再贅述。

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本控制對(duì)象采用額定電壓24V，最高轉(zhuǎn)速3 500r/min的無(wú)刷電機(jī)。通過(guò)上位機(jī)給控制器發(fā)送命令可驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)、運(yùn)行、剎車(chē)、停止，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的不同方向的快速切換和各個(gè)速度擋速度的改變，既使在大負(fù)載下，也能快速啟動(dòng)并達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)，剎車(chē)亦快速平穩(wěn)［12］。12扇區(qū)無(wú)磁鏈觀測(cè)的二三導(dǎo)通模式直接轉(zhuǎn)矩控制，可以在忽略復(fù)雜的磁鏈估算的前提下，對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制進(jìn)行改進(jìn)，控制簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，并且有效地降低了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。除以上重要功能外，此控制器還具備上電檢測(cè)通信、霍爾、缺相等故障，并發(fā)出警報(bào)，保護(hù)電機(jī)及避免功率管因電流過(guò)大造成永久損害。

5　結(jié)論

利用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)速度和電流反饋量作為雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行PID的調(diào)節(jié)，并且采用12扇區(qū)無(wú)磁鏈觀測(cè)的二三導(dǎo)通模式直接轉(zhuǎn)矩控制有效地降低了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，使電機(jī)能夠更平穩(wěn)地運(yùn)行，并基于STM32型處理器的硬件平臺(tái)應(yīng)用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)的調(diào)度，使開(kāi)發(fā)和控制更加方便靈活。此方案已成功應(yīng)用于電動(dòng)輪椅的控制，在實(shí)際運(yùn)行中電機(jī)加減速及平穩(wěn)運(yùn)行、轉(zhuǎn)彎都可以達(dá)到理想的效果。該控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快、調(diào)速范圍廣且精度高、運(yùn)行平穩(wěn)，能夠有效地減小轉(zhuǎn)矩，在理論和實(shí)際應(yīng)用中都具備一定價(jià)值。

［1］邱明，張曙明，曲金澤.兩種新型實(shí)用直流無(wú)刷電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2006，32（10）：77-79.

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Design of BLDC control system based on ARM

Wang Xinbiao，Yu Jianding，Wang Qing
（Faculty of Information Science and Technology，Ningbo University，Ningbo 315211，China）

In order to achieve the requirement of fast，smooth and accurate speed control of a brushless DC motor，this paper designed an BLDC controller based on Cortex_M3 kernel processor，and implemented hardware and software parts of the control system.The use of real-time operating system FreeRTOS scheduled tasks.Using the speed and current dual PID control algorithm，it formed a double-loop system that BLDC controled in realtime.In order to more effectively reduce the torque ripple，it achieved a 12 sectorfree flux observed two or three conduction mode direct torque control.The test results show that the control system has rapid response，wide speed range and high precision，stable and reliable performance，low cost and power consumption，and application prospect is very broad.

BLDC；direct torque control；PID algorithm；torque ripple

TM33

A

1674-7720（2015）16-0001-03

王新彪，俞建定，王青．基于ARM的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34（16）：1-3，7.

2015-03-18）

王新彪（1989-），通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用。E-mail：15038340634@163.com。

俞建定（1968-），男，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用。

王青（1990-），女，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用。