傳統(tǒng)的DC電機(jī)具有運(yùn)行效率高、調(diào)速性能好等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)傳動(dòng)中占有重要地位。但其固有的機(jī)械換向器和電刷導(dǎo)致其容量有限、噪音大、易火花、可靠性差的缺點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，無刷DC電機(jī)的電刷和機(jī)械換向器被位置傳感器和電子換向器所取代，而傳統(tǒng)DC電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)得到很好的保持，運(yùn)行效率高于有刷DC電機(jī)。因此，無刷DC電機(jī)一誕生就被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。特別是在節(jié)能減排成為時(shí)代主題的今天，無刷DC電機(jī)的高效率顯示出其巨大的應(yīng)用價(jià)值。

　　1 全數(shù)字雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)介

在穩(wěn)態(tài)下，DC電機(jī)的轉(zhuǎn)速只能通過單閉環(huán)速度PI來調(diào)節(jié)，速度沒有靜態(tài)差異，即輸出完全跟隨輸入。然而，當(dāng)控制系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)性能要求較高，如啟動(dòng)制動(dòng)快、抗干擾能力強(qiáng)時(shí)，單閉環(huán)系統(tǒng)中電機(jī)電流和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)過程不能得到及時(shí)有效的控制，因此需要在控制系統(tǒng)中設(shè)置一個(gè)電流調(diào)節(jié)回路來調(diào)節(jié)電流。因此，控制系統(tǒng)中有兩個(gè)調(diào)節(jié)環(huán)，即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)和電流調(diào)節(jié)環(huán)，兩個(gè)調(diào)節(jié)環(huán)嵌套連接。圖1和圖2分別是模擬控制和全數(shù)字控制下的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)和雙閉環(huán)DC調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

　2 控制系統(tǒng)整體構(gòu)成

全數(shù)字雙閉環(huán)無刷DC電機(jī)控制系統(tǒng)主要由ARM嵌入式處理器、LCD觸摸屏、光電耦合電路、驅(qū)動(dòng)電路、逆變電路、電流檢測(cè)電路、無刷DC電機(jī)位置信號(hào)檢測(cè)環(huán)節(jié)和控制電路組成。

本設(shè)計(jì)中的ARM處理器為Atmel公司ARM9系列的32位is at91sam9261s。采用5級(jí)整數(shù)流水線，主頻可達(dá)300兆赫。支持Windows CE、Linux、Palm OS等多種主流嵌入式操作系統(tǒng)。它廣泛應(yīng)用于需要高速數(shù)字信號(hào)處理的工業(yè)控制、測(cè)試設(shè)備和儀器中。

無刷DC電機(jī)控制系統(tǒng)的總體框圖如圖3所示。當(dāng)系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，速度信號(hào)由電阻給出，運(yùn)行指令(如啟動(dòng)、正轉(zhuǎn)、剎車)通過觸摸屏實(shí)時(shí)顯示和P、I參數(shù)設(shè)置發(fā)出。根據(jù)霍爾傳感器檢測(cè)到的電機(jī)位置信號(hào)，計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)速來改變控制器的輸出信號(hào)，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。電流檢測(cè)主要是實(shí)現(xiàn)速度電流雙閉環(huán)控制和過流保護(hù)。采樣后，從外部檢測(cè)的電流信號(hào)被放大和濾波，并被發(fā)送到A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。控制單元根據(jù)檢測(cè)到的電流調(diào)節(jié)電流調(diào)節(jié)器的輸出。當(dāng)發(fā)生過流故障時(shí)，電流檢測(cè)電路會(huì)發(fā)出故障指示信號(hào)，并發(fā)送給ARM處理器進(jìn)行處理。

　　3 硬件各模塊設(shè)計(jì)

3.1光耦合器隔離電路

控制信號(hào)通常是10 ~ 20 kHz左右的PWM波。為了減少電磁干擾對(duì)ARM處理器的影響，需要使用高速光耦進(jìn)行隔離、整形和電平轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)采用6N137光耦，開關(guān)時(shí)間為75 ns。光耦合器的隔離電路如圖4所示。

3.2逆變器電路

功率逆變電路采用三相星形全橋逆變電路，如圖5所示。一個(gè)三相逆變橋由六個(gè)IRF530N MOOSFET組成，其中每個(gè)MOSFET功率管的兩端與一個(gè)二極管反并聯(lián)，用于續(xù)流和緩沖。低端三個(gè)MOSFET管并聯(lián)，然后串聯(lián)一個(gè)小電阻Rs進(jìn)行電流采樣。

　　3.3 位置及速度檢測(cè)

　　本設(shè)計(jì)中直流無刷電機(jī)位置信號(hào)的檢測(cè)采用霍爾位置傳感器，即無刷直流電動(dòng)機(jī)自帶的位置傳感器，其輸出側(cè)通常采用漏極開路，所以必須在它的輸出上接上相應(yīng)的上拉電阻。

　　根據(jù)式1計(jì)算出兩次換相間隔期間的平均角速度，然后在軟件程序中換算成r/min，或直接根據(jù)△t計(jì)算出多少r/min。

　　△t一般較小，可以通過采樣對(duì)PWM波計(jì)數(shù)的方式來確定△t。

　　3.4 電流檢測(cè)與保護(hù)電路

　　電流檢測(cè)與保護(hù)電路如圖6所示。IR2130帶有電流電流放大器和過流輸入保護(hù)環(huán)節(jié)，可以對(duì)電流采集信號(hào)進(jìn)行放大。當(dāng)過電流發(fā)生時(shí)，送到過電流檢測(cè)引腳的電壓高于0.5 V，此時(shí)R2130內(nèi)部的過電流比較器迅速翻轉(zhuǎn)，邏輯故障處理單元輸出低電平，六路輸入信號(hào)被鎖存，基于ARM的全數(shù)字雙閉環(huán)無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)管腳輸出故障指示，故障時(shí)輸出為低電平，六路輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)全為低電平，功率管進(jìn)入全關(guān)斷狀態(tài)，使器件得到保護(hù)。欠壓保護(hù)的工作過程與過流保護(hù)的工作過程類似。

　　4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　電機(jī)換相控制程序砑有2種設(shè)計(jì)方法，電機(jī)轉(zhuǎn)速不高和電機(jī)轉(zhuǎn)速較高。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速不高時(shí)，換相周期較長(zhǎng)，PWM周期遠(yuǎn)高于電機(jī)換相周期，這樣可在每一個(gè)PWM周期對(duì)霍爾信號(hào)輸入進(jìn)行查詢，判斷是否需要換相，并設(shè)定一個(gè)計(jì)數(shù)器記錄兩次換相期間的PWM周期數(shù)用于計(jì)算轉(zhuǎn)速。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，兩次換相期間相隔PWM周期數(shù)不多，查詢換相的方法會(huì)導(dǎo)致?lián)Q相不及時(shí)且影響轉(zhuǎn)速計(jì)算精度，需通過中斷的方法進(jìn)行換相，在需要速度調(diào)節(jié)時(shí)直接通過中斷接口函數(shù)讀取速度值。在應(yīng)用程序中加入中斷響應(yīng)事件消息響應(yīng)函數(shù)，若中斷發(fā)生，則進(jìn)入中斷子程序并設(shè)置相應(yīng)故障參數(shù)。控制系統(tǒng)主程序流程圖如圖7所示。

　　5 結(jié)束語

　　無刷直流電動(dòng)機(jī)用位置傳感器和電子換相器取代了電刷和機(jī)械換向器，有效降低了噪音，避免了火花的產(chǎn)生，提高了控制系統(tǒng)可靠性。本設(shè)計(jì)對(duì)全數(shù)字雙閉環(huán)無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)的軟、硬件都做了詳細(xì)介紹，以ARM為主處理器使得整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率更高、性能更穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)室模擬結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較好的控制可靠性、良好的動(dòng)態(tài)性能及系統(tǒng)穩(wěn)定性。