基于无刷直流电机控制系统设计与实现

基于无刷直流电机控制系统设计与实现

发表时间：2017-10-20T11:19:09.350Z 来源：《防护工程》2017年第15期作者：樊圣至[导读] 为了摆脱此系统对进口技术的依赖性，应深入研究其控制系统，提升设计水平，从而实现煤矿开采的自动化。交通运输部东海第一救助飞行队摘要：无刷直流电机具备体积小、效率高以及控制精度高等优势，且在多个领域得到了广泛使用。但在部分控制系统中，外加干扰以及参数摄动等因素干扰了系统的动静态性，基于此，本文在分析无刷直流电机结构与运行原理的基础上，指出了其软硬件方面的优化控制措施，以期为此后无刷直流电机控制系统的设计工作提供更多的参考依据。

关键词：无刷直流电机；控制系统；设计与实现

1 无刷直流电机结构

电机本体、位置测算结构、电子换相逻辑等均属于无刷直流电机的组成结构，且其与永磁同步电机较为相似。相较直流电机，无刷直流电机旋转的转子为磁极，而直流电机为绕组。且定子主要由电枢绕组、定子铁芯以及其他固定部件组成，电枢绕组一般采用三相Y型绕法，而转子磁极则采用稀土永磁钢片组成，安装在转子表面。

2 无刷直流电机软硬件设计2.1系统硬件部分

2.1.1系统硬件结构

系统硬件主要包括整流电路、开关电源电路、控制芯片、信号隔离电路、调试电路、逆变功率电路以及电流电压检测与保护电路等，其具体结构如下图1所示。

图1 无刷直流电机控制系统硬件结构组成图其中键盘控制系统信息，比如完成启动、停机、速度给定以及系统参数的在线修改等工作。系统交流电源通过整流桥获得直流电源，并供给全桥逆变以及开关电源电路。而开关电源电路则为系统提供24V以及5V的直流电源，电压检测电路通过模数转换获得电压时值，通过母线电压的监控实行过压保护动作，而主控芯片则通过判断输入信息进行控制命令。

2.1.2电源部分分路

整个系统能量的主要来源便是电源，且其呈现出交流、直流以及交流的变化过程，整个电路被分为强电与弱电两个组成部分，且单相220伏的交流电在整合后会形成310伏的直流电，为逆变电路以及开关电路提供能量。首先是整流电路，包括单相全桥不可控整流电路以及电容充电电流限制电路两个组成部分，当电机功率为1.5kW时，控制器的输出能力设定为2.2kW，且上电瞬间直流电源对电容充电，断开继电器，且电流在经过电阻的过程中得到缓冲。其次是电源电路，主要由变压器、IC1以及MC7085等部分组成，其中IC1为电源的专门控制面板。且开关电源处于电压工作模式，IC1通过电压反馈调整PWM的输出功率，从而维持电源电压的稳定运行。最后是芯片电源电路，主要采用主控芯片为3.3伏的工作电平。

2.1.3主控芯片以及周边电路研究中采用适合电机控制领域的32位Cortex -M3核的单片机，可以达到较高的运算效率，且其时钟频率为72赫兹，具备丰富的外设资源。在设计管脚分配以及附属电路时应在参考专业手册的基础上进行，第一，对于引脚60的外接电路，芯片应处于下载设置状态，且系统完成后还应焊接0欧姆的电阻，以保持引脚的低电平状态。第二，对于晶振电路应采用8M外部晶体的振荡器，且电源与大地之间连接电容，以排除电源的耦合干扰。第三，PWM信号输出控制电路，应采用安全性较强的芯片，且在芯片输出后以及光电隔离之前设置74ACT244以有效控制信号的总输出。第四，键盘系统属于独立通信模块，设计时应按照协议要求编写通讯软件即可使用。

2.1.4功率器元件以及驱动电路GTO、MOSFET、GTR、IGBT以及IPM等均属于常用的功率开关元件，且设计期间，应根据元件管件的耐压程度、最大开关频率等因素进行选择。本次研究中，电机控制要求较高的开关频率；较小的导通阻抗以及较小的驱动功率，因此可以选择MOSFET、IPM以及IGBT。比较发现，IGBT具备大电流以及低导通阻抗的特点，可以保持开关频率；而IPM则在内部集成了过高电压、过大电流以及高温的检测系统，且可以在引脚处输出故障信号，降低了系统的损害率。但考虑到此次研究的试验性质，因此应选择IGBT的分立元件组建全桥逆变电路，并确定1200伏的耐压与25安的额定电流，上升时间为50毫秒。

2.1.5模拟量采集与故障电路

首先是采样电流，为了获得准确的采集电流数值，应在U、V两相上安装霍尔电流传感器设备，设定额定输出电流为40毫安，额定测量电流为25安，且可以使用交流与直流测量。以U相电流测量为例，根据电机额定电流以及电机过载能力确定霍尔电流传感器的负载电阻，以有效控制芯片采样工作。其次是模拟量的输入，包括母线电压采样、热敏电阻采样以及输入给定转速的模拟值等工作。最后是故障处理电路，通过硬件处理得到过流信息金额日控制光耦驱动器的输出，且主控芯片联合组合软件处理故障逻辑，完成软件解锁以及故障迅速反应。

2.2系统控制的软件设计

本次研究的无刷直流电机控制系统的软件部分采用C语言编写程序，主控程序与中断处理程序为程序的组成部分，其中主控程序主要完成系统时钟的初始化，并根据硬件配置初始化EEPROM的存储程序。中断服务程序主要完成所有A/D采样值的计算工作，并运行多数的控制程序。且定时器3的中断主要获取转子位置，并计算运行速度。

2.2.1软件结构

软件系统主要完成无刷直流电机磁场的定向控制驱动，使其具备速度伺服功能。但由于缺乏速度信息，以致在电机控制启动时无法算转子位置角度，无法输出合适的电压矢量，因此，无刷直流电机的磁场应利用方波PWM的调制方式控制启动，当电气角速度达到200rad/s 时在切换至无刷直流电机的磁场定向控制模式。其主要的流程图如下图2所示。

图2 主程序流程图

2.2.2中断服务程序设计

在本次设计中采用了定时器1的上溢中断、定时器3的移出中断以及输入捕捉中断等三个中断模式，一方面是定时器3的中断服务流程，定时器3存在三个输入通道，且配置了捕捉中断以及计数器溢出中断，使得发生输入捕捉中断时可以清零计数器数值，也可以获得清零前的计数值。这样在三个输入捕捉端接入霍尔转子位置传感器可以有效计算电机转速值。且当控制模式为PWM方波调制时，捕捉中断的发生也伴随着换相动作，且通过修改定时器1的相关寄存器即可完成换相。但当无刷直流电机处于磁场定向控制模式时，则无需换相。另一方面是定时器1的中断服务程序，在定时器配置中，将PWM模式设定为PWM2模式，即中央对齐模式。且将PWM的频率设定为20kHz，中断周期为50微秒。中断设计过程中，应明确中断标志，并根据配置完成模拟量的采集工作，且对采集数据进行数字滤波，并得到相应真值，用于判断过电压、过电流以及温度过高等故障问题，起用闭环程序进行速度控制。且在直流电机磁场定向控制模式中还应计算转子位置角度，估算转子位置，并通过正弦表获得各相电电流参考值，最后在通过PWM的输出寄存器控制开关管的导通电压矢量。

3 实验结果分析

在试验过程中，无刷直流电机运行正常且散热性较好，当电机处于高速旋转状态时，转速稳定，且调节电位器的转变速度较快。而转速低至一定程度时，电机驱动模块启动保护动作，关断内部的IGBT，停止运行。同时，优化设计后的直流电机硬软件联调成功，其控制系统具备一定的合理性与实用性。

结束语

近年来，无刷直流电机获得了较快发展，且在各个应用领域中得到广泛普及，具备不可替代的优势。为了摆脱此系统对进口技术的依赖性，应深入研究其控制系统，提升设计水平，从而实现煤矿开采的自动化。

参考文献

[1]吴琎,祝恒洋,唐煌生,袁倩倩,苗瑞,蒋文坚.基于功率驱动模块LHKF10003T01的无刷直流电机控制系统设计[J].微电机,2017(03).

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