基于ARM的無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)

高振天 袁 瑋

（鄭州機電工程研究所，鄭州 450015）

無刷直流電機的應(yīng)用已從最初的航空、軍事設(shè)施領(lǐng)域擴展到了辦公自動化、家用電器、工業(yè)過程控制、精密機床和汽車電子等工業(yè)和民用領(lǐng)域。有專家認為無刷直流電機將作為信息時代的主要執(zhí)行部件在各行各業(yè)得到最廣泛的應(yīng)用。尤其近年來國內(nèi)電動車的普及，同時隨著環(huán)保、節(jié)能的社會號召，電動汽車也應(yīng)運而生，還有大部分家用電器，無不預(yù)示著無刷直流電機應(yīng)用的飛速發(fā)展。

傳統(tǒng)的電機調(diào)速系統(tǒng)往往以普通的8位微控制器或性能強大的DSP作為控制核心，前者需要附加多種接口，實時性差，指令功能不強，運算速度慢，應(yīng)用很受限制；而后者的價格較高，開發(fā)門檻高，可選擇性差，只適合做一些中高端的應(yīng)用。

基于 ARM 核的微控制器的出現(xiàn)較好地解決了以上問題，ARM處理器資源豐富，具有良好的通用性，其主要特點是高性能、低功耗、低成本。因此，本文基于ARM處理器LM3S2739，以當前應(yīng)用廣泛的無刷直流電機為研究對象，應(yīng)用閉環(huán)調(diào)速策略，設(shè)計了一個全數(shù)字閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。由圖可知，系統(tǒng)主要由電源電路、控制電路、驅(qū)動電路、位置檢測電路以及檢測保護電路等組成。

2 模塊電路設(shè)計

根據(jù)圖1中的系統(tǒng)組成框圖，下面以模塊電路的形式逐一介紹各個電路的功能及其實現(xiàn)。

2.1 電源電路

電源模塊的輸入為 220VAC、50Hz，提供 6路輸出：+15V-ISO、+5V-ISO、+15V、-15V、+5V、+3.3V，其中前兩路與其他各路隔離。開關(guān)芯片采用PI公司生產(chǎn)的TOP260EN，此芯片在開放式模式下，其輸出功率可達275W，能滿足設(shè)計要求。

電源電路的設(shè)計關(guān)鍵點在于接地的處理，要特別注意以下幾種地：驅(qū)動電源地、控制電源數(shù)字地、控制電源模擬地、電機三相電源地、設(shè)備外殼地、供電電源中性線等。正確合理的處理以上地電位對系統(tǒng)的正常運行、人身安全起決定性作用。除此之外，電路板宜采用多層板設(shè)計，高頻信號加屏蔽，關(guān)鍵信號加濾波，成品加屏蔽外殼，以此來達到整機的電磁兼容性要求。

2.2 控制電路

控制電路是指調(diào)速系統(tǒng)中的弱電部分，主要包括：主控芯片、存儲器接口、通信接口、LED顯示等電路。

圖1 系統(tǒng)硬件組成框圖

主控芯片采用美國流明諾瑞(Luminary)公司基于Cortex-M3內(nèi)核的32位ARM芯片LM3S2739作為控制核心芯片，該系列芯片是專為電機控制應(yīng)用設(shè)計，豐富的外設(shè)使得外圍電路實現(xiàn)起來非常簡單，同時能有效縮小電路板體積。

為了保存用戶參數(shù)，防止掉電丟失，本系統(tǒng)中設(shè)計了2K非易失存儲空間，存儲芯片采用24C02，利用LM3S2739的I2C功能模塊，實現(xiàn)起來非常方便。

本系統(tǒng)設(shè)計了兩種通訊接口：RS232串行接口和CAN總線接口。RS232接口一般用來實現(xiàn)上位機調(diào)試參數(shù)，接口芯片采用SP3232EUCY。 CAN總線可以很容易實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制，接口芯片采用TJA1050。以上接口均采用光電隔離提高抗干擾性。

系統(tǒng)采用1位7段數(shù)碼管顯示狀態(tài)，包括系統(tǒng)運行狀態(tài)、故障狀態(tài)等。數(shù)碼管通過LM3S2739的同步串行接口(SSI)來控制，同時采用移位存儲器74HC595來進行串并擴展。

2.3 驅(qū)動電路

驅(qū)動電路采用智能功率模塊(IPM)，這種器件將輸入隔離、能耗制動、過溫、過壓、過流保護及故障診斷等功能集成一體。本系統(tǒng)充分利用IPM的強大功能，只需少量的外圍器件便可以很容易地組成功能完善的逆變橋主電路。

功率驅(qū)動模塊采用仙童(Fairchild)公司的FSBS10CH60，它是10A、600V的集驅(qū)動和保護于一體的 IGBT模塊，隔離電壓達到 2500V。帶有溫度傳感器，可方便實現(xiàn)過熱檢測。為了實現(xiàn)弱電信號控制強電信號，達到強弱電隔離，盡可能地保護電路。微控制器輸出的 PWM信號需經(jīng)過光隔驅(qū)動后，再控制IPM。光電隔離器件采用HCPL4504。

2.4 位置檢測電路

本系統(tǒng)所選電機為無刷直流電機，配有霍爾位置傳感器和編碼器。霍爾位置傳感器是集電極開路輸出，因此在和微控制器接口時需要上拉電阻。編碼器是雙極差分信號輸出，需要增加接收器 26C32和微控制器接口。

2.5 檢測保護電路

由于電機驅(qū)動的開發(fā)和使用的特殊性，應(yīng)加強安全意識。①實驗過程的人身安全；②設(shè)備安全，保證實驗過程的正常運行。因此，保護電路必不可少。在本項目的設(shè)計過程中，重點設(shè)計了以下檢測保護電路。

1）相電流檢測。精確的電流采樣，是電機良好運轉(zhuǎn)的必要條件。本系統(tǒng)采用LEM公司生產(chǎn)的電流傳感器HX-15P進行電流采樣。電流傳感器的原邊串入電機三相動力線，副邊即輸出成比例的電壓信號。該信號為具有正負極性的雙邊信號，無法直接接入微控制器的AD輸入通道，因此，需要對該信號進行整流，可以采用運放構(gòu)成精密全波整流電路，不過要注意運放的帶寬，以便滿足AD采樣的需要。

2）過壓、欠壓檢測電路。通過在母線電壓之間串接分壓電阻進行電壓采樣，電路的核心是雙比較器LM393，其構(gòu)成窗口比較器，母線電壓超出窗口閾值，表明母線電壓異常，輸出信號通過光隔后，輸入微控制器接口，從而控制 PWM輸出，保護功率驅(qū)動電路的安全。

3）過流故障檢測。主要依靠IPM芯片的故障輸出功能，F(xiàn)SBS10CH60芯片具有一個故障輸出引腳FO，當芯片內(nèi)部出現(xiàn)過流等綜合故障，此引腳會輸出脈沖信號。將此脈沖信號通過光隔后，輸入微控制器PWM模塊的故障(Fault)引腳，強制PWM進入無效狀態(tài)。

4）過熱故障檢測。同樣是利用 IPM 芯片的集成溫度傳感器功能，IPM芯片內(nèi)部帶有一個熱敏電阻，作為溫度傳感器使用。通過熱敏電阻采樣的溫度電壓信號經(jīng)過運放 OP07構(gòu)成的電壓跟隨器后，再經(jīng)過比較器和設(shè)定的溫度值做比較，輸出信號通過光隔后，輸入微控制器接口，從而保證電路安全。

3 驅(qū)動軟件設(shè)計

本文所設(shè)計的伺服驅(qū)動系統(tǒng)是一個基于無刷直流電機的包括速度調(diào)節(jié)環(huán)和電流調(diào)節(jié)環(huán)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。閉環(huán)調(diào)節(jié)算法采用常用的PI控制算法。

首先通過編碼器和霍爾位置傳感器的輸出來確定轉(zhuǎn)子的位置和換向信號。同時，計算得到電動機的當前速度，然后與速度參考值進行比較，得到速度誤差信號，經(jīng)速度調(diào)節(jié)器后，得到相應(yīng)的電流參考信號，該電流參考信號與電流傳感器采樣的實際電動機相電流信號進行比較，電流誤差信號經(jīng)電流調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后，得到 PWM的占空比，產(chǎn)生適當?shù)腜WM信號，施加到電動機的功率電子開關(guān)電路上，通過控制功率管的開通關(guān)斷順序和時間，從而實現(xiàn)對直流無刷電動機轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩的控制。

根據(jù)控制系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能，結(jié)合模塊化的軟件設(shè)計思想，可將系統(tǒng)軟件分為3大部分：主程序模塊、系統(tǒng)初始化模塊、系統(tǒng)控制模塊。主程序模塊主要包括系統(tǒng)時鐘配置、外設(shè)接口配置、中斷配置以及調(diào)用系統(tǒng)初始化模塊和系統(tǒng)控制模塊等。系統(tǒng)初始化模塊主要完成HALL接口、QEI接口、PWM模塊、ADC采集模塊、系統(tǒng)定時模塊、顯示輸出模塊、CAN總線模塊、UART模塊、看門狗等相關(guān)模塊的初始化功能。系統(tǒng)控制模塊功能包括各中斷服務(wù)子程序，主要負責(zé)完成系統(tǒng)控制任務(wù)，包括命令的接收與處理、參數(shù)綜合、全局協(xié)調(diào)以及狀態(tài)顯示等。

本系統(tǒng)大部分的功能依耐于中斷的執(zhí)行，因此正確配置中斷是程序設(shè)計的關(guān)鍵。程序的編程語言采用C語言，靈活易用，可移植性強。開發(fā)環(huán)境采用IAR Embedded Workbench for ARM V5.50，編譯效率高，使用方便。主程序流程圖如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

4 系統(tǒng)應(yīng)用

城市軌道交通站臺屏蔽門系統(tǒng)作為國家大力發(fā)展的新型軌道交通設(shè)備，市場前景十分廣闊。門機系統(tǒng)是屏蔽門系統(tǒng)的核心，其關(guān)鍵技術(shù)是電機控制，也就是伺服驅(qū)動系統(tǒng)。基于本文所設(shè)計的伺服驅(qū)動系統(tǒng)，目前已實現(xiàn)屏蔽門門機控制系統(tǒng)的原理樣機，滿足屏蔽門系統(tǒng)的速度環(huán)控制要求，完成功能性試驗，經(jīng)改進優(yōu)化后，該項目已經(jīng)進入初樣機研制階段。

5 結(jié)論

近年來，ARM的強勢推出，成本不斷降低，諸多伺服設(shè)計廠家已經(jīng)轉(zhuǎn)向 ARM 方案，可以說基于ARM的芯片已經(jīng)引領(lǐng)了MCU應(yīng)用的新潮流。同時，基于ARM核的芯片具有32位的內(nèi)核，資源豐富，性能優(yōu)越，為高速采樣提供了運算速度的保證, 從而可在較大的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實現(xiàn)高精度控制。該調(diào)速系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、可擴展性強、性價比高等特點，可應(yīng)用于自動門、電動自行車等領(lǐng)域，有廣闊的市場應(yīng)用價值。