基于嵌入式的無刷直流電機調速系統

鄭清蘭，陳小勇，陳冬冬

(閩南理工學院 實踐教學中心，福建 石獅 362700)

無刷直流電機是一種多用途電機，可做為伺服電機或直流電機來使用，廣泛應用在自動化儀器、醫療器械、航天科技、機床等設備上，其整體結構簡單、維護簡便。電機采用換相將電能轉換為機械能，具有較好的啟動和調速性能，運行過程穩定且轉速高，其常用的調速控制方式有電樞串電阻調速、變磁通調速和調節電樞電壓調速[1]。串電阻調速只能實現有級調速不能實現平滑調速，變磁通雖然能達到平滑調速但是所調的范圍較小，一般只能配合調壓方案在電機的額定轉速上做小范圍的弱磁提升，因此在實際運行應用中常常通過調節電樞電壓的方式來實現轉速的控制。隨著嵌入式DSP的發展，無刷直流電機的控制逐漸采用DSP系列芯片實現數字化智能控制。本文從無刷直流電機的結構、原理及數學模型進行闡述和研究，最終實現基于嵌入式芯片TMS320F28335的無刷直流電機調速系統，并研究和設計電路的硬件電路和軟件系統，分析各個電路的作用，最后選用92BL-2015H1-LK-B型電機，在CCS3.3開發環境下編寫程序并運行，完成整個系統的測試。

1 無刷直流電機的結構、工作原理和模型

1.1 無刷直流電機的結構

無刷直流電機主要有位置傳感器，電子開關線路、電動機三大部件構成，其結構如圖1所示。其中，電動機由定子和轉子組成，定子一般為多相，用于實現運動過程中的能量轉換，轉子由永磁體構成，與定子繞組一起旋轉產生旋轉磁場使電機連續轉動；位置傳感器跟隨轉子的極對數，并檢測出磁極位置變化的邏輯信號，控制電子開關線路功率管的開通和斷開，進而控制繞組的換相動作[2]；電子開關線路由邏輯開關和霍爾位置傳感器模塊構成，用于電源功率分配的管理及轉子位置信息的檢測。

圖1 電機結構圖Fig.1 Motor structure drawing

1.2 無刷直流電機的工作原理

無刷直流電機的主體結構是電動機，其繞組可接成星形或三角形，在實際應用中繞組都采用對稱星形接法。電動機轉動的根本是旋轉磁場的作用，因此當一定量的電流流過電樞任意兩相繞組時，在電機內部產生旋轉磁場，使定子和轉子的相對位置發生變化，當按照一定的順序使不同的兩相繞組輪流導電時，則電機內部磁場旋轉，使電動機轉動，若改變通入電動機電源的相序，則電動機轉動方向就會變化[3]。無刷直流電機裝有位置傳感器用來判定轉子的極性，機內的驅動器用來控制電機的轉動和停止等，并根據位置傳感器傳入的信號，控制機內功率管的通和斷，產生轉動的轉矩。

1.3 無刷直流電機的模型

在分析數學模型中假設電機處于理想狀態下，三相繞組對稱且按120°接成星形聯接方式，假設電樞繞組均勻地分布在外面，忽略磁滯、渦流等帶來的損耗。

1.3.1 電壓方程

通過對直流無刷電機的工作原理分析可推導出電機在任意時刻的平衡方程為

(1)

式中：Ri是定子繞組的電阻;L是定子繞組的等效自感;E是定子繞阻產生的電動勢。由于電機采用星型接法，且三相繞組對稱，所以三相電流根據基爾霍夫定律可得

iA(t)+iB(t)+iC(t)=0 ,

(2)

可推導出電機的等效電路圖如圖2所示。

圖2 等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit diagram

1.3.2 無刷直流電機電磁轉矩方程

當無刷電機處于運行狀態時，假定忽略功率轉換時的鐵損和銅損，則電機的功率為

Pe=eAiA(t)+eBiB(t)+eCiC(t),

(3)

則電機的電磁轉矩表達式為

(4)

式中：wm為電機轉子旋轉角速度；eA,eB,eC為三相定子繞組反電動勢。

1.3.3 無刷直流電機的調速方法

設電機定子繞組兩端的電壓為Ud，忽略電樞繞組的電感不計，則可得出電機的轉速n的表達式為

(5)

從式(5)可知，改變電樞回路的電阻R、繞組兩端的電壓Ud、電路中的電流Id都可以調節電機的轉速n。當電機處于理想空載運行時，Es與繞組兩端的電壓Ud近似相等，可推出n=Ud/CEΦ。可見調節Ud就可以改變轉速，即通過調節開關PWM信號的占空比來實現電機的調速[4]。

2 無刷直流電機調速系統設計

2.1 控制方案

調速系統的控制方案一般分為開環和閉環兩種。開環系統不具有反饋回路，電路相對簡單，但無法消除干擾，電路輸出不穩定。而閉環中的單閉環控制系統只有速度環沒有電流環，控制的根本是將給定的速度與實際反饋的速度比較，根據比較的差值進行調節，具有一定的調速功能，但是在電動機轉動過程中如果負載突然出現較大的波動，電機的轉速也會隨著出現較大的波動，如果沒有一定的應對措施，容易造成電機的損害，因此在大多數調速系統中都采用雙閉環PWM控制結構，由速度環和電流環組成，其中速度環用于跟蹤給定的速度變化，電流環用來保證電機獲得最大的啟動電流，使系統的動態響應過程變快。即在電機的啟動過程中電流轉距允許最大值，使電機一開始以最大的速度運行，等到運行穩定后電流再慢慢地降下來，電機進入額定轉速運行，加入電流環后可以很好地解決由于負載突變而引起的電機轉速波動情況，達到轉速可調且保護電機的目的，其控制原理如圖3所示。

圖3 系統控制原理圖Fig.3 Schematic diagram of the overall system control

2.2 電機的PWM調速原理

采用調節電樞電壓的方式實現調速目的，一般電機調速采用脈寬調制即PWM，在具體控制時電流在特定頻率下以方波形式作為輸入，通過采用計數器調節信號占空比實現模擬信號的高、低電平調節。該調速系統中的嵌入式芯片TMS320F28335由I/O口收集電機上霍爾器件的脈沖信號[5]，由編碼器接口電路測試電機的轉速，最后通過調節PWM的占空比實現電機轉速變化。

2.3 電機調速控制系統算法

電機調速系統是多變量、非線性的控制系統，設計采用位置式PID控制算法以達到調速系統性能穩定。PID控制為線性控制，由比例、積分和微分3個參數構成控制量，控制輸出的被控對象[6]，其表達式為

(6)

式中Kp,τi,τd分別為比例,積分和微分的系數。

3 系統硬件電路設計

根據無刷直流電機調速控制要求，分析其控制方案，采用速度環和電流環組合的雙閉環控制并通過PID實現電機的調速，設計系統硬件電路框圖如圖4所示，主要包括DSP主控芯片TMS320F28335、速度檢測、PWM信號控制輸出、電流檢測、位置檢測等。其中電機的實際運行轉速通過位置檢測電路與給定的參考轉速進行比較確定。電流檢測電路采樣輸出的電流再經過A/D轉換后送給DSP，最后計算反饋和參考的電流偏差控制PWM的占空比。

圖4 系統硬件電路框圖Fig.4 System hardware circuit block diagram

3.1 主控DSP芯片

系統控制核心是微處理器，通過PWM脈沖信號為上位機輸出電機的轉速等參數，采集無刷直流電機轉子轉動的位置信息、轉動過程的電流變化信號，最終實現轉速控制。

數字信號處理器即DSP的快速發展，被廣泛應用于控制領域，用來取代傳統的模擬信號控制。DSP擁有較快的數據處理能力、芯片體積小功能強、運行數據穩定可靠且具有較強的抗干擾能力。其所具有的特點在電機調速系統中非常實用，目前以TI公司所生產的DSP芯片應用較為廣泛。該系統所使用芯片具有32位中央核心處理器，能夠快速處理各式各樣復雜算法，采用總線結構，具有EVA和EVB兩個事件管理器，且兩個管理器中都有比較單元、定時器、補獲單元和編碼脈沖電路等，每個比較單元都可以產生兩路互補的PWM信號[7]。編碼電路用于統計外部輸入的脈沖個數，與光電編碼器共同作用得出位置和轉速等信息，因此可用來測量無刷直流電機的位置和速度。

3.2 電流檢測

系統采用電流傳感器，其主要作用是先將電機中取得的電流信號轉換為電壓信號，轉換后的信號通過由運放構成的電壓跟隨器輸出，送至主控DSP芯片的模數轉換ADC輸入通道，最后轉換為可識別的數字量。再由DSP對轉換后的信號進行采樣和運算，得出給定的參考電流和反饋電流的差值，最后經由調節器的運算實現PWM占空比的調節，具體電路如圖5所示，電流檢測電路使用電流互感器將大電流轉換成小電流，并通過運算放大器放大后送至DSP的ADC。

圖5 電流檢測電路Fig.5 Current detection circuit

3.3 轉速檢測

對電機轉速的測試采用光電式編碼器，進行速度采樣和運算，求出給定轉速和實際反饋轉速之間誤差，由雙閉環電路中的速度調節器運算后對電流環給定進行調節。電機在運行時，設定PWM測量一次轉矩要經過20個脈沖，即DSP每隔1 ms讀一次定時器的計數值并與前一次所讀的值相減，計算出計數增量ΔC，則電機轉速的計算公式為

n=ΔC/(4×500)/0.001×60=30ΔC，

(7)

可見光電式編碼器每轉的脈沖數和速度采樣周期決定了所測量轉速的精度[8]。

3.4 位置檢測

電機轉動時轉子的位置檢測采用霍爾傳感器，傳感器的輸出線共有五根，一根電源線一根地線，另外三根輸出線為轉子位置脈沖信號線。電機運行時DSP捕獲單元對傳感器輸出的三路脈沖信號進行判斷，從而得到轉子的位置信號。無刷直流電機上設有三個霍爾傳感器，每個傳感器輸出的三路信號相位差是120°，脈沖寬度是180°，與各繞組對應的電流如圖6所示。

圖6 傳感器輸出與繞組對應電流Fig.6 The sensor output and the corresponding current of the winding

4 系統軟件流程設計

系統的軟件開發及編譯環境選用CCS3.3，這是TI公司推出的集編譯、鏈接和仿真調試為一體的開發環鏡。其操作界面簡潔，用于DSP程序的編寫采用主程序與子程序相結合的方式，便于后期程序的開發和移植，編寫語言采用C語言或匯編語言均可，程序調試過程中可設置斷點，逐條執行或循環執行，提高了調試效率。該系統的主程序流程如圖7所示，主程序的作用是實現每個子程序的初始化，主要包含中斷子程序、PWM調節、捕獲單元、PID參數等模塊的初始化，在中斷子程序中通過霍爾信號檢測判斷出PWM輸出的相序，速度檢測電路對電機速度進行采樣和運算，電流檢測模塊對電路電流進行采樣和計算，再經由PID電路的3個參數進行實時調節，最后調節PWM占空比穩定電機調速。

圖7 主程序流程圖Fig.7 Main program flow chart

4.1 捕獲單元子程序

無刷直流電機運行后，DSP能識別出霍爾傳感器輸出的電機轉子的位置信號，啟動中斷控制子程序。子程序把3個捕獲單元設置為通用的I/O口，用來檢測霍爾傳感器的中斷請求并輸出轉子的位置脈沖信息[9]，最終控制PWM占空比實現繞組的換相后退出中斷子程序返回到主程序。

4.2 速度調節子程序

速度調節子程序的設計思路是采集給定速度與實際轉速的差值，利用PID進行速度的自動調節，直到與給定的一致為止。此系統電機的速度檢測主要使用光電式編碼器進行測速，主要過程是將光電編碼器輸出的兩路正交信號A和B，經過光電隔離后送至DSP并進行4倍頻的處理，再用M/T測速法求得電機轉速[10]，以得到準確的速度反饋并傳給系統，利用程序算出當前電機轉動的速度，再與給定的已知速度比較，根據算出的偏差值進行調節。

5 系統測試結果分析

根據系統軟件和硬件的設計，進行實驗測試，實驗過程選用92BL-2015H1-LK-B型無刷直流電機，其功率是 200 W，極對數為5，實驗測試結果如圖8所示，將轉速設置為1 600 r/min時，系統的調速方法比傳統的啟動更快，運行更平穩，超調量也更小。

圖8 速度響應曲線測試波形圖Fig.8 Test waveform of speed response curve

該系統仿真測試使用Matlab 中的Simulink進行測試，其測試波形如圖9所示，從兩個圖中可以看出，實際的調速性能比仿真時差些，但以電機的實際性能看，速度響應過程已達到預期的調速要求，電機無論是高速還是低速運行，其速度啟動都很快，波動較小，運行較平穩，該系統所用的無刷直流電機轉速可調范圍從0到1 600 r/min，在調試過程中如果出現電機的反饋速度波動偏大可通過改變雙閉環的P、I和D 3個參數進行微調，能實現較好的調速性能。

(a)改進控制進度 (b)傳統控制速度

6 結束語

本文闡述了無刷直流電機的工作原理，分析了不同電機調速方法的優缺點，采用調節電樞電壓的方法實現無刷直流電機的調速。基于嵌入式芯片TMS320F28335的無刷直流電機調速系統，以DSP芯片為核心，采用電流環和速度環構成的雙閉環脈寬調制PWM調速控制，應用PID算法，按照調速要求設計系統的硬件電路和軟件流程，測試表明該系統速度響應快且不存在超調現象，能夠實現電機調速性能的穩定與可靠，達到預期的調速效果。