基于LPC1769芯片的無刷直流電機智能控制*

黃海波，蘭建平，張 凱

(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)

0 引言

無刷直流電機(BrushlessDCMotor，BLDCM)具有輸出功率大、噪聲低、可靠性高、容易維護(hù)等優(yōu)點，在實際中得到了廣泛應(yīng)用，尤其在電動車領(lǐng)域已成為動力驅(qū)動系統(tǒng)的核心。早期的無刷電機控制器多采用純模擬電路或?qū)Ｓ眉尚酒瑏韺崿F(xiàn)，這種設(shè)計方法不利于功能擴(kuò)展和升級，功能實現(xiàn)受限。隨著各種高性能微處理器的出現(xiàn)，以DSP為控制核心的無刷電機控制器得到了普遍應(yīng)用[3]，尤其是集成了豐富外設(shè)的單片機，占據(jù)了無刷電機控制器CPU的主導(dǎo)市場[4]。

為了改善BLDCM的運行性能，在外環(huán)采用速度環(huán)的基礎(chǔ)上，在內(nèi)環(huán)引入電流負(fù)反饋來控制無刷電機的速度和輸出轉(zhuǎn)矩[5]。通過速度電流雙閉環(huán)反饋控制，達(dá)到系統(tǒng)的超調(diào)小、抗干擾能力強、實時性好和運行穩(wěn)定的目的。在雙閉環(huán)的控制策略中，傳統(tǒng)PID算法由于微分項對干擾非常敏感，而無刷電機多用于噪聲集中的場合，因此PI控制成為當(dāng)前無刷電機的主導(dǎo)控制策略。積分項的目的主要是為了消除靜差，但在電機的起動、停止和大幅加減速的過程中，無論是速度環(huán)還是電流環(huán)，其輸出都會有很大的偏差，引起PI運算的積分積累，致使控制量超過系統(tǒng)允許的最大輸出，引起整個控制系統(tǒng)的超調(diào)，電機運行抖動且噪聲很大，嚴(yán)重時會損壞電機和控制器的功率驅(qū)動部分。本文采用32位高性能單片機LPC1769芯片為核心，通過合理的硬件和軟件設(shè)計，采用雙閉環(huán)積分分離的控制策略，實現(xiàn)BLDCM的智能控制。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

如圖1所示，BLDCM是主要由電機本體、位置檢測器、逆變器和控制器組成的機電一體化產(chǎn)品[6]。轉(zhuǎn)子磁極的位置通過位置傳感器(霍爾或光電編碼器等)進(jìn)行測量，控制器對位置傳感器輸出的位置信號進(jìn)行邏輯處理，并產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動時序，驅(qū)動時序信號以一定的規(guī)則觸發(fā)逆變器中的功率器件，將電源功率以一定的邏輯關(guān)系分配給電機定子各相繞組，使電機產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 BLDCM控制結(jié)構(gòu)

如圖1所示，BLDCM控制系統(tǒng)主要包括:由逆變主電路、逆變功率開關(guān)驅(qū)動電路構(gòu)成的功率驅(qū)動單元，以LPC1769單片機為核心的主控模塊，調(diào)速把、剎車把、限速、定速巡航及液晶顯示構(gòu)成的人機接口電路，相電流、母線電壓采集電路，轉(zhuǎn)子位置檢測電路等。

采用積分分離的雙閉環(huán)控制策略，如圖2所示，其中轉(zhuǎn)速外環(huán)根據(jù)霍爾位置信號估算電機的轉(zhuǎn)速，與調(diào)速設(shè)定值作差后進(jìn)行控制運算的輸出，作為電流內(nèi)環(huán)的設(shè)定值。電流檢測電路檢測的電流經(jīng)單片機的A/D轉(zhuǎn)換后，與設(shè)定值一起進(jìn)行控制運算，得到電流調(diào)節(jié)器的輸出——一定占空比的PWM信號，用以控制逆變電路功率管的開/關(guān)狀態(tài)，實現(xiàn)對電機的轉(zhuǎn)速和電流的雙閉環(huán)控制。

圖2 BLDCM雙閉環(huán)控制策略

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 單片機主電路

BLDCM控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)是以單片機為核心，由單片機完成所有的信號采集、處理和控制功能。如圖3所示，U+和 U－、V+和 V－、W+和W－分別作為三相逆變橋上下橋臂的驅(qū)動信號;三路霍爾信號HALLA、HALLB和HALLC送入單片機的IO捕獲輸入端，由于霍爾傳感器輸出的是漏極開漏的位置信號，必須經(jīng)過上拉，并設(shè)置適當(dāng)?shù)碾娙葸M(jìn)行濾波以消除毛刺;48 V的電源電壓、瞬時電流、平均電流和調(diào)速把的電壓信號分別送入單片機的4路A/D輸入引腳，在內(nèi)部進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行相應(yīng)的處理;過流信號和剎車信號分別送入單片機中斷引腳，隨時起到保護(hù)和停機作用;限速信號和巡航信號送入單片機的通用I/O口，單片機在空閑時刻通過查詢對應(yīng)的引腳狀態(tài)來設(shè)置當(dāng)前的工作狀態(tài);通過串口輸出各種參數(shù)到另一單獨的液晶顯示電路，實時顯示當(dāng)前的工作狀態(tài)，包括電壓、電流、速度、功率等。

圖3 單片機主電路

2.2 功率驅(qū)動電路

采用12只場效應(yīng)管(MOSFET)P75NF75構(gòu)成三相橋式逆變電路，以滿足BLDCM大功率寬范圍的驅(qū)動需求。其中每個橋臂有4個MOSFET，上下橋臂各2個MOSFET并聯(lián)。電機三相分別接于三相橋臂的中間節(jié)點，三相繞組在電機內(nèi)部呈星型連接。功率驅(qū)動單元分別采用3只IR 2110集成芯片驅(qū)動3個橋臂，由于三相的驅(qū)動電路完全相同，如圖4所示，只以其中U相進(jìn)行說明。按照120°電機的驅(qū)動時序，U+和U－在一個電周期內(nèi)的有效信號各持續(xù)120°，且有60°的間隔區(qū)間。因此理論上當(dāng)上橋臂采用PWM輸出，下橋臂采用電平控制時，不存在上下橋臂直通短路現(xiàn)象，但在程序設(shè)計時必須插入適當(dāng)?shù)难舆t和邏輯關(guān)系以確保電路的安全。當(dāng)HO輸出為低，LO輸出為高，上管截止下管導(dǎo)通時，輸出端與地相連，輸出端相當(dāng)于地;當(dāng)輸出HO為高，LO輸出為低，上管導(dǎo)通下管截止時，輸出端與電源相連，輸出端相當(dāng)于電源電壓48 V。為避免上下橋臂短路燒毀，禁止HO和LO同時為高。

圖4 功率驅(qū)動電路

2.3 電流采集電路

從圖4可知，母線電流從電源經(jīng)過其中一個橋臂的上半橋，進(jìn)入一相繞組(U相)，然后經(jīng)過另一橋臂的下半橋，最后經(jīng)采樣電阻后到達(dá)地形成整個回路。因此，電機運行過程中采樣電路上的電流反映了母線電流，也同樣反映了電子繞組的電流。對采樣電流的實時采集是執(zhí)行系統(tǒng)控制策略和可靠運行的重要前提。圖5是電流采集電路，分三路同時進(jìn)行，第一路和第二路都是比例放大電路，除了進(jìn)入運放前的濾波電容不一樣外，其他參數(shù)完全一樣，為了降低噪聲的影響，設(shè)置放大比例均為4倍多。第一路的電容C1=470 pF，只起到抑制突發(fā)噪聲的作用;第二路的電容C2=0.1 μF，對采樣電流進(jìn)行平滑濾波。因此第一路瞬時電流反映了電流的實時變化，在軟件處理時起到限流作用，使其不超過規(guī)定的電流值，第二路平均電流主要用在電流環(huán)上的控制策略中。第三路是設(shè)定的比較器，當(dāng)采樣電阻上的電壓超過設(shè)定的閾值時，LM339輸出瞬時變?yōu)榈碗娖剑容^器翻轉(zhuǎn)觸發(fā)單片機中斷，及時關(guān)斷MOS管，起到硬件保護(hù)的作用。

圖5 電流采集電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要分為主程序和中斷服務(wù)程序。主程序主要完成參數(shù)初始化。對系統(tǒng)安全性和控制的實時性要求很高的功能，則在中斷服務(wù)程序中進(jìn)行處理。

3.1 積分分離的PI算法

當(dāng)電機在起動、停止、大幅度加減速，或負(fù)載突變時，速度環(huán)和電流環(huán)被控量與設(shè)定值之間會出現(xiàn)較大的偏差。此時應(yīng)該取消積分的作用，以免由于積分作用降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，超調(diào)量增大。當(dāng)被控量接近設(shè)定值時，引入積分控制，以便消除靜差，提高控制精度。控制算法的程序流程如圖6所示，其實現(xiàn)方法如下:

(1)根據(jù)電機的實際運行情況，設(shè)定閾值ξ＞0;

(2)當(dāng)|E(k)|＞ξ時，采用純粹的比例P控制，避免產(chǎn)生過大的超調(diào)，使系統(tǒng)有較快的響應(yīng);

(3)當(dāng)|E(k)|≤ξ時，采用PI控制，保證系統(tǒng)的控制精度。

圖6 積分分離控制算法流程圖

系統(tǒng)采用的積分分離控制算法可簡單表示為

式中:T——采樣時間，控制算法的計算周期;

β——積分項的開關(guān)系數(shù)，當(dāng)|E(k)|≤ξ時，β=1，否則 β=0。

3.2 中斷服務(wù)程序

中斷服務(wù)程序是程序設(shè)計的核心部分，從功能上分為兩部分:系統(tǒng)保護(hù)程序，負(fù)責(zé)對過流、剎車、過壓/欠壓等保護(hù)信號處理;電機驅(qū)動控制程序，完成電機驅(qū)動的一系列處理和控制操作。在進(jìn)入中斷服務(wù)程序時，首先進(jìn)行保護(hù)信號的檢測，當(dāng)發(fā)生安全事故時，程序跳入系統(tǒng)保護(hù)程序，系統(tǒng)停機。將剎車也放在保護(hù)程序里進(jìn)行處理，是因為剎車后對電機有同樣的處理措施。

3.2.1 系統(tǒng)保護(hù)程序

系統(tǒng)設(shè)定了過流、剎車、過壓/欠壓等故障信號檢測，其中過流和剎車是單片機LPC1769的IO引腳中斷直接引起的，起到實時保護(hù)的作用。過壓/欠壓信號是在主程序?qū)﹄妷盒盘朅/D采集后與設(shè)定的閾值比較后產(chǎn)生的A/D中斷。當(dāng)發(fā)生故障時，調(diào)用中斷保護(hù)的故障處理子程序，關(guān)閉PWM信號輸出并做停機處理。如果沒有發(fā)生故障，系統(tǒng)即進(jìn)入正常的電機驅(qū)動程序。

3.2.2 電機驅(qū)動程序

電機驅(qū)動程序主要圍繞圖2中速度電流雙閉環(huán)的控制策略進(jìn)行設(shè)計。其中轉(zhuǎn)速環(huán)包含位置檢測模塊、轉(zhuǎn)速估算模塊、速度調(diào)節(jié)模塊。速度估算模塊根據(jù)位置檢測模塊的中斷標(biāo)志信號、位置信息和軟件時間估算出當(dāng)前電機轉(zhuǎn)速，將反饋速度送入速度調(diào)節(jié)器與給定速度相比較，并進(jìn)行積分分離的PI調(diào)節(jié)，實現(xiàn)速度環(huán)的調(diào)節(jié)作用。速度調(diào)節(jié)器的輸出為電流環(huán)的設(shè)定參考值。

電流環(huán)包含電流采樣模塊、電流調(diào)節(jié)器、PWM發(fā)生模塊。電流采樣模塊根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置狀態(tài)采樣相應(yīng)的電流，包括平均電流和瞬時電流，將平均電流送入電流調(diào)節(jié)器與參考電流相比較，并進(jìn)行積分分離的PI調(diào)節(jié)，實現(xiàn)電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用。用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制PWM發(fā)生器的占空比。同時，在任意時刻當(dāng)瞬時電流的幅值超過設(shè)定的閾值時，必須適當(dāng)降低PWM占空比，起到限流保護(hù)的作用。整個電機的驅(qū)動程序流程如圖7所示。

圖7 電機驅(qū)動程序流程圖

轉(zhuǎn)子位置檢測程序?qū)︱?qū)動程序非常重要。轉(zhuǎn)子位置信息為轉(zhuǎn)速估算程序、電流采樣程序、PWM導(dǎo)通關(guān)斷邏輯提供重要信息。轉(zhuǎn)子位置檢測與轉(zhuǎn)速估算流程圖如圖8所示。在系統(tǒng)初始化時，即將3路霍爾信號對應(yīng)的I/O口設(shè)置為邊沿有效捕捉狀態(tài)。當(dāng)反映轉(zhuǎn)子位置的霍爾信號發(fā)生改變(上跳或下跳)時，對應(yīng)的三路I/O口捕捉中斷標(biāo)志位置位。在中斷服務(wù)程序中查詢該標(biāo)志位，一旦有效即將I/O口設(shè)置為輸入口，讀入當(dāng)前位置狀態(tài)值，保存到位置變量，完成位置檢測。然后再將I/O口設(shè)置為捕捉狀態(tài)，為下次霍爾信號跳變捕捉做準(zhǔn)備。根據(jù)I/O口捕捉中斷標(biāo)志位有效與否，判斷是否執(zhí)行電機轉(zhuǎn)速估算子程序，通過起停通用定時器4的計數(shù)值來測量任意兩次位置變化之間的時間間隔。由于一個機械周期包括6個電周期，因此利用公式n=1/(6pΔT)計算電機轉(zhuǎn)速，其中p為電機的極對數(shù)，ΔT為定時器的計時差值。對估算出的轉(zhuǎn)速進(jìn)行平滑濾波后，即進(jìn)行積分分離的速度PI調(diào)節(jié)。

圖8 位置檢測與轉(zhuǎn)速估算流程圖

為了實時對電流進(jìn)行采樣，一旦系統(tǒng)進(jìn)入電機驅(qū)動服務(wù)程序，即通過軟件觸發(fā)A/D對瞬時電流和平均電流進(jìn)行轉(zhuǎn)換。當(dāng)執(zhí)行轉(zhuǎn)速估算和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)后，從A/D緩沖區(qū)直接讀取電流值，進(jìn)行電流調(diào)節(jié)和限流保護(hù)。PWM發(fā)生模塊根據(jù)電流調(diào)節(jié)器的輸出調(diào)節(jié)PWM波的占空比，根據(jù)位置檢測值，通過查詢開關(guān)管導(dǎo)通邏輯表，確定導(dǎo)通相序，改變 PWM寄存器 ACTRB的值，實現(xiàn)電機換相。

4 系統(tǒng)測試

采用80BL145－440 BLDCM，額定參數(shù)為電壓48 V，功率550 W，轉(zhuǎn)速 4 500 r/min，1.8 N·m。分別檢驗了控制系統(tǒng)的霍爾位置信號檢測模塊、轉(zhuǎn)速估算模塊、PWM發(fā)生模塊、過流保護(hù)模塊、電壓采集模塊、電機信息顯示模塊、單片機和系統(tǒng)板供電模塊以及剎車、巡航、限速、調(diào)速把模塊。

經(jīng)過反復(fù)測試，設(shè)定速度電流的調(diào)節(jié)周期T=20 ms，積分分離的速度閾值 ξ1=150 r/min，電流閾值ξ2=3.5 A時，各項功能模塊均工作正常，電機起動平穩(wěn)，加速平滑，且電機在4 500 r/min范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速任意可調(diào);人為增加電源電壓到52 V以上和降低電源電壓到42 V以下時，過壓和欠壓保護(hù)均得到實現(xiàn);在運行過程中突加負(fù)載導(dǎo)致電機堵轉(zhuǎn)過流時，系統(tǒng)立即進(jìn)行過流保護(hù);當(dāng)轉(zhuǎn)速把設(shè)定轉(zhuǎn)速保持8 s不變時，電機進(jìn)入巡航狀態(tài);通過示波器觀測到的霍爾信號、PWM發(fā)生信號、采樣電流等均穩(wěn)定且噪聲很小，說明電路設(shè)計可靠，系統(tǒng)工作正常。

5 結(jié)語

通過軟硬件的設(shè)計與調(diào)試，設(shè)計了以LPC1769單片機為核心的BLDCM控制系統(tǒng)。針對額定電壓為48 V，額定功率為550 W的BLDCM進(jìn)行安裝調(diào)試，完成BLDCM的調(diào)速、剎車、定速巡航、限速等功能性要求和過壓/欠壓保護(hù)、過流保護(hù)等安全性要求。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)體積小、重量輕、精度高，相比傳統(tǒng)模擬控制器具有更大的靈活性、可靠性，稍加改進(jìn)可應(yīng)用于電動自行車或電動摩托車BLDCM的驅(qū)動控制。

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