基于SPMC75的無刷直流電動機變頻控制

董昌春，孔祥洪

（1.上海電子信息職業(yè)技術(shù)學院 計算機應(yīng)用系，上海 201411；2.上海水產(chǎn)大學 信息學院，上海201300）

基于SPMC75的無刷直流電動機變頻控制

董昌春1，孔祥洪2

（1.上海電子信息職業(yè)技術(shù)學院 計算機應(yīng)用系，上海 201411；2.上海水產(chǎn)大學 信息學院，上海201300）

為了實現(xiàn)三相無刷直流電動機變頻控制，設(shè)計了以16位變頻芯片SPMC75F2413A單片機為控制核心的測試系統(tǒng)方案，并完成系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。該系統(tǒng)利用功率器件智能模塊IPM PS21563和霍爾傳感位置偵測，結(jié)合驅(qū)動算法來實現(xiàn)無刷直流電動機驅(qū)動和調(diào)速。試驗結(jié)果表明本系統(tǒng)穩(wěn)定、靈活，達到了對無刷直流電動機的無級變頻調(diào)速的控制要求。

SPMC75F2413A單片機；無刷直流電動機；變頻控制

本文利用SPMC75F2413A來實現(xiàn)無刷直流電動機的變頻控制,其為馬達驅(qū)動專用芯片，方便產(chǎn)生各種驅(qū)動控制信號。傳統(tǒng)直流電動機采用機械換向裝置，運行時電刷和換向器之間產(chǎn)生噪聲、火花、電磁干擾，無刷直流電動機BLDC采用電子換向器，不僅運行效率高、無勵磁損耗、調(diào)速性能好，而且結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便。

1　控制原理

1.1無刷直流電動機控制原理

無刷直流電動機的控制原理簡圖如圖1。主電路是一個典型的電壓型交-直-交電路，逆變器提供等幅等頻5～24 kHz調(diào)制波的對稱交變矩形波。永磁體N-S交替交換，使位置傳感器產(chǎn)生相位差120°的H3、H2、H1方波，從而產(chǎn)生有效的六狀態(tài)編碼信號：010、011、001、101、100、110，通過邏輯組件處理產(chǎn)生V6－V1導通、V5－V6導通、V4－V5導通、V3－V4導通、V2－V3導通、V1－V2導通，也就是說將直流母線電壓依次加在U－> V、W－>V、W－>U、V－>U、V－>W、U－>W上，這樣轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一對N-S極，V1、V2、V3、V4、V5、V6各功率管即按固定組合成6種狀態(tài)的依次導通。每種狀態(tài)下，僅有兩相繞組通電，依次改變一種狀態(tài)，定子繞組產(chǎn)生的磁場軸線在空間轉(zhuǎn)動60°電角度，轉(zhuǎn)子跟隨定子磁場轉(zhuǎn)動相當于60°電角度空間位置，轉(zhuǎn)子在新位置上，使位置傳感器U、V、W按約定產(chǎn)生一組新編碼，新的編碼又改變了功率管的導通組合，使定子繞組產(chǎn)生的磁場軸再前進60°電角度，如此循環(huán)，無刷直流電動機將產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，拖動負載作連續(xù)旋轉(zhuǎn)［1,2］。

圖1　無刷直流電動機的控制原理簡圖

H1、H2和H3是霍爾傳感器的3個信號出線，V1、V2、V3、V4、V5和V6表示IGBT組成的三相全控橋電路，上橋的V1、V3和V5 3個功率管，下橋的V2、V4和V6 3個功率管，分別控制這U、V和W三相直流電的流向。

1.2無刷直流電動機的驅(qū)動

IGBT信號的分配和電動機的位置有著緊密的聯(lián)系，本方案無刷直流電動機采用120度方波的算法驅(qū)動IPM的內(nèi)置IGBT。根據(jù)位置狀態(tài)信息來分配IGBT的驅(qū)動信號，010、011、001、101、100和110是從BLDC的霍爾傳感器反饋回來的位置信號經(jīng)過編碼后的6種狀態(tài)。在此通過改變上橋臂PWM的占空比來改變加在無刷直流電動機上的端電壓，選用IGBT的下橋臂分配高低電平，上橋臂分配PWM信號的驅(qū)動方式。信號分配和位置關(guān)系如圖2所示。

圖2　位置驅(qū)動信號關(guān)系

正轉(zhuǎn)的位置信號和驅(qū)動信號的關(guān)系如圖2所示：010（H3 H2 H1）V6－V1、011（H3 H2 H1）V5－V6、001（H3 H2 H1）V4－V5、101（H3 H2 H1）V3－V4、100（H3 H2 H1）V2－V3、110（H3 H2 H1）V1－V2的順序換流，根據(jù)位置信號給出反轉(zhuǎn)時驅(qū)動信號的換流關(guān)系：001（H3 H2 H1）V1－V2、011（H3 H2 H1）V2－V3、010（H3 H2 H1）V3－V4、110（H3 H2 H1）V4－V5、100（H3 H2 H1）V5－V6、101（H3 H2 H1）V6－V1。

圖3指出了在控制信號的作用下各相的電壓、電流方向的關(guān)系。電動機內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)磁場是通過控制各個功率管的開/關(guān)，使得電流依序流入U、V、W三相線圈。

圖3　電流時序

2　硬件設(shè)計

硬件電路的設(shè)計［3-5］主要包括：控制器系統(tǒng)，IPM模塊及驅(qū)動，位置偵測，RS232通信和電源5個部分，各部分的框圖如圖4所示。

利用SPMC75的變頻技術(shù)對電動機的速度進行調(diào)節(jié)。電動機內(nèi)部安裝的霍爾傳感器方便了電動機的驅(qū)動，其對驅(qū)動轉(zhuǎn)子的位置進行偵測，轉(zhuǎn)子現(xiàn)在的位置決定下個激磁相。自身具備保護機能的IPM模塊及驅(qū)動，簡化了SPMC75控制器和無刷直流電動機之間的聯(lián)系，提高了系統(tǒng)的可靠性。

圖4　系統(tǒng)框圖

3　軟件算法

在本控制系統(tǒng)中，由輸入和輸出狀態(tài)進行實時采樣，它是一個離散控制系統(tǒng)，PID控制器采用差分方程表示，有：

其中：u（k）――k次采樣周期的輸出

e（k）――k次采樣周期的偏差

T――采樣周期

在式（1）中，令：Δe（k）=e（k）-e（k-1）則有：

在上式（2）中，令：Ki=Kp/Ti，Kd=Kp*Td

則有：

由于

并且

Δe（k）=e（k）-e（k-1）

Δe（k-1）=e（k-1）-e（k-2）

所以有

上式也可以寫成

在純比例控制的作用下改變比例系數(shù)求出產(chǎn)生臨界振蕩的振蕩周期Tu和臨界比例系數(shù)Ku。

根據(jù)Z－N條件，有

T=0.1Tu

Ti=0.5 Tu

Td=0.125 Tu

代入式（7）則有：

采用上式可以十分容易的實現(xiàn)常數(shù)Kp的校正。

4　軟件流程

利用中斷對電動機進行實時處理，涉及到的中斷主要有：IRQ0的錯誤輸入和輸出中斷、IRQ1的PDC和TCV中斷、IRQ6的UART RXD中斷及CMT0的定時中斷。主程序［4,6］主要完成系統(tǒng)必要的初始化，主程序設(shè)計流程圖如圖5所示。

圖5　主程序設(shè)計流程圖

PDC、TCV、RXD和CMT0等中斷協(xié)助完成對BLDC的啟動、運行、速度調(diào)節(jié)和錯誤保護的控制。PDC、TCV中斷操作流程如圖6所示。

圖6　PDC、TCV中斷操作流程

5　結(jié)論

本設(shè)計采用120度上相PWM方波驅(qū)動帶霍爾位置傳感的無刷直流電動機并應(yīng)用PID控制［7］，利用SPMC75的變頻技術(shù)來進行對電動機的速度調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了對三相繞組無刷直流電動機的驅(qū)動［8-9］和調(diào)速。

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Brushless DC motor's variable-frequency control based on SPMC75

DONG Chang-chun1,KONG Xiang-hong2
（1.Department of Computer Application，Shanghai Technical Institute of Electronics&Information，Shanghai 201411,China；2.College of Information，Shanghai Fisheries University，Shanghai 201300,China）

This paper designed a system which took SPMC75 microcontroller as the core to realize the brushless DC motor's variable-frequency control.And designed the hardware and software of the system.It used Intelligent Power Module PS21563 and a hall sensor,combined with the driven algorithm to realize the brushless DC motor's drive and variable-frequency control. The test result showed that the system meet our requirements.

SPMC75F2413A；brushless DC motor；variable-frequency control

TN609

A

1674－6236（2016）13-0101-03

2015-04-22稿件編號：201504244

董昌春（1978—），男，山東青島人，碩士研究生。研究方向：計算機應(yīng)用。