基于ARM Cortex-M4的永磁無刷直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

張從鵬，邢慶輝

(北方工業(yè)大學，北京 100144)

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基于ARM Cortex-M4的永磁無刷直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

張從鵬，邢慶輝

(北方工業(yè)大學，北京 100144)

介紹了一種以ARM Cortex-M4芯片作為數(shù)字信號控制器，智能功率模塊(IPM)為驅(qū)動電路的永磁無刷直流電機的調(diào)速系統(tǒng)。詳細闡述了該調(diào)速系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，并對調(diào)速系統(tǒng)搭建實驗平臺進行了對無刷直流電動機的調(diào)速控制測試。系統(tǒng)測試實驗結(jié)果表明：該系統(tǒng)性能運行穩(wěn)定、可靠，速度誤差不超過1%，能滿足基本的工業(yè)應(yīng)用。

永磁無刷直流電動機；STM32F407；智能功率模塊；功率驅(qū)動

0 引 言

隨著微電子、電力電子技術(shù)的發(fā)展，對現(xiàn)代控制理論和對永磁材料研究的深入，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)速性能好、效率高等諸多優(yōu)點的永磁無刷直流電動機在工業(yè)上的運用越來越廣泛。

目前，數(shù)字化智能控制直流調(diào)速的出現(xiàn)，使得直流調(diào)速的性能得到很大提升，并很快成為直流調(diào)速的主導。然而國內(nèi)對數(shù)字化直流調(diào)速系統(tǒng)的研究相對較遲，形式單一，并且在很大程度上仍依賴于國外產(chǎn)品。基于這種情況，本文提出了一種基于ARM Cortex-M4處理器STM32F407的永磁無刷直流電動機的調(diào)速控制系統(tǒng)，研究調(diào)速系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)電路和軟件控制算法，開發(fā)滿足工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的永磁無刷直流電動機調(diào)速控制系統(tǒng)，具有一定的應(yīng)用價值與現(xiàn)實意義。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

1.1 永磁無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的組成

圖1為永磁無刷直流電動機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。該系統(tǒng)是一個典型的三環(huán)控制系統(tǒng)，包括電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)。電流控制器的作用是：實現(xiàn)快速的動態(tài)響應(yīng)性能，使電流在動態(tài)響應(yīng)中不出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，為此采用PI控制。速度控制器是為了增加系統(tǒng)的抗擾動能力，即調(diào)節(jié)速度的波動，為電流環(huán)給定。位置控制器是通過外部的脈沖給定，給定和通過永磁電機的編碼器反饋位置信息進行位置環(huán)的PID來完成對速度環(huán)的給定。其中速度控制器的反饋也來自編碼器。

圖1 永磁直流無刷電動機的系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

1.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

本設(shè)計的永磁無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。采用ARM公司的高性能主控制芯片STM32F407為核心，實現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)的速度控制

圖2 永磁直流調(diào)速系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

器、電流控制器的控制、JTAG調(diào)試接口電路、LCD狀態(tài)顯示電路、AD采集信號等相關(guān)功能。同時以三菱公司的智能功率模塊FSAM20SH60A的IPM為逆變器開關(guān)元件來完成驅(qū)動單元。

1.2.1主控電路

主控芯片STM32F407是基于Cortex-M4架構(gòu)內(nèi)核，集成豐富的電機庫接口電路，同時可實現(xiàn)永磁矢量定向控制的理想平臺，內(nèi)部嵌有高級定時器、編碼器接口、AD采集接口等外設(shè)，極大地方便了直流調(diào)速的控制系統(tǒng)。

1.2.2電源控制部分

電源部分采用24 V單獨供電輸入，通過可調(diào)開關(guān)電源芯片LM2596進行電壓轉(zhuǎn)換，設(shè)定為15 V，為IPM驅(qū)動電路、IGBT過流保護和剎車電路等電路進行供電。設(shè)定為5 V，為光耦隔離電路、運算放大電路、編碼器接口電路、USB電路、二極管等電路電源供電。電源轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

圖3 電源轉(zhuǎn)換電路

1.2.3三相功率驅(qū)動控制電路

逆變器電路是伺服驅(qū)動系統(tǒng)的主體，向永磁電機中輸入電流，才能使其才能旋轉(zhuǎn)。三相功率驅(qū)動控制電路選擇的是IPM模塊FSAM20SH60A，內(nèi)部集成了IGBT三相橋臂功率器件、驅(qū)動電路、電流保護電路、電源欠壓保護等保護電路，如圖4所示。STM32通過高級定時器輸出6路的PWM脈沖信號，作為IPM的輸入來控制逆變橋的導通和關(guān)斷，從而實現(xiàn)電機的精確控制。

圖4 三相功率驅(qū)動電路

1.2.4三電阻采樣電路

本設(shè)計采用是三電阻電流采樣電路，功率電阻采用5 mΩ，5 W。電流采樣放大電路如圖5所示，選用的芯片是OPA4350，該芯片具有高精度、38 MHz高帶寬，低噪聲、高轉(zhuǎn)換速率(22 V/μs)，能滿足該設(shè)計放大電路的要求。

圖5 電流采樣放大電路

1.2.5 顯示接口模塊

本設(shè)計的人機交互接口采用的是TFT型LCD彩色液晶屏模塊，分辨率為320×240，與單片機的連接如圖6所示。

圖6 TFT320240彩色液晶接口模塊

2 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計

永磁無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的軟件部分主要由主程序、中斷服務(wù)程序、數(shù)據(jù)顯示三部分組成。本程序設(shè)計在Keil μVision集成開發(fā)環(huán)境進行標準C語言開發(fā)。主程序包括系統(tǒng)時鐘配置，I/O接口的初始化，定時器的初始化，LCD模塊初始化，AD數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)化設(shè)置等，然后進入循環(huán)程序。主程序如圖7所示。

圖7 主程序框架圖

中斷服務(wù)程序是在高級定時器TIM1中斷里進行的。首先對電機轉(zhuǎn)子的速度和電流進行采集處理，PID調(diào)節(jié)，生成六路PWM等。外部中斷部分為編碼器定時中斷，主要對電阻采樣的數(shù)據(jù)處理，轉(zhuǎn)子位置分析，換相以及正反轉(zhuǎn)分析等。圖8為PWM中斷服務(wù)函數(shù)流程圖。

圖8 PWM中斷服務(wù)函數(shù)流程圖

3 實驗測試及結(jié)果分析

永磁無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的性能測試實驗如圖9所示。驅(qū)動的電機型號為42BLFOI電機，額定電壓為24V，額定電流為1.9A，最高轉(zhuǎn)速為4 000 r/min，額定功率為26 W。

圖9 永磁無刷直流調(diào)速系統(tǒng)測試

通過示波器對控制器的U相和V相的波形進行觀察，如圖10所示。可看出，三相電流的波形處于穩(wěn)定狀態(tài)，運行平穩(wěn)。實驗結(jié)果表明，本設(shè)計系統(tǒng)能夠保證無刷直流電機的速度和電流控制，運行平穩(wěn)，具有較高精度。

圖10 三相波形

4 結(jié) 語

本文開發(fā)了基于 ARM Cortex-M4的永磁無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)，速度控制實驗結(jié)果表明，該方案可行，集成度高，開發(fā)周期短，系統(tǒng)安全可靠，是一種新的全數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)方案，能滿足基本的工業(yè)應(yīng)用，并且該設(shè)計可推進永磁直流無刷電動機調(diào)速系統(tǒng)向著智能化、數(shù)字化、模塊化方向發(fā)展。

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Design of Permanent Magnet Brushless DC Speed-Regulating System Based on ARM Cortex-M4

ZHANGCong-peng，XINGQing-hui

(North China University of Technology，Beijing 100144，China)

A speed-regulating system of the permanent-magnet brushless DC motor which used ARM Cortex-M4 as the digital signal controller and the intelligent power modular (IPM) as drive circuit was introduced. The software and hardware design of the speed-regulating system was elaborated in detail. And the experimental platform was built to test speed cotrol of the permanent-magnet brushless DC motor. System test results show that the system has stability and reliability,and its velocity error does not exceed 1%. It can meet the basic industrial applications.

permanent magnet brushless DC motor; STM32F407; IPM; power drive

2015-07-17

TM351；TM33

A

1004-7018(2016)01-0090-03

張從鵬(1975-)，男，博士，副教授，研究方向為數(shù)字化制造技術(shù)與裝備。