基于ARM的无刷直流电机控制系统设计

信息系统工程 2012.3.2033 无刷直流电机既具有结构简单、运行效率高和调速 性能好等特点，广泛应用于航天、数控、医疗器械等领 域，尤其是调速和伺服系统中。本文采用ARM实现无 刷电机的控制，ARM不但在处理速度及精度上能达到 DSP的数量级，满足复杂的控制算法，还具有比单片机 更丰富的外设接口和电机专用集成芯片的控制电路，能 方便地进行实时控制。电流环和速度环采用改进的PID 算法，满足高精度的需求。 一、系统硬件结构 控制系统通过CAN总线与上位机(PC)进行通信，以 ARM芯片STM32F103RBT6作为主控制器，采用PWM 方式控制电机转速，IPM驱动电机，采用霍尔元件检测 转子位置和定子电流，增量式光电编码器来检测电机转 速。STM32不断采集实际转速，修正上位机给出的控制 转速，实现对电机的转速闭环控制。系统结构框图如 1.1 控制部分 控制器完成PWM波的配置，包括电机的启停、正 反转、输出占空比，速度信号、电流采样信号的接收转 换和计算处理，执行速度和电流闭环控制算法，以及与 上位机的实时通信。STM32F103RBT6主频为72MHz， 芯片内部集成CAN控制器，具有DMA功能的2个12位模 基于ARM的无刷直流电机控制系统设计 桂 欣 摘要：随着无刷直流电机应用领域的不断扩大，对控制系统的稳定性和控制 精度提出了更高的要求。应用STM32F103RBT6 ARM芯片作为控制器，建立了 无刷直流电机双闭环控制系统，并介绍了该电动机控制系统的硬件结构及软件流 程。该系统的控制策略采用速度环采用积分分离的PI算法，电流环采用变速积分 的PID算法。经实验分析，系统响应速度快，超调量小，稳定性好。 关键词：ARM/STM32；无刷直流电机；控制系统 数转换器，多达7个定时器，满足采样与定时的要求， 拥有电机控制的各类接口。 1.2 驱动部分 驱动部分采用PS21965-4A智能功率模块(IPM) 实现 电机所需的三相逆变驱动电路。IPM不仅把功率开关器 件和驱动电路集成在一起，而且还内藏有过电压、过 电流和过热等故障检测电路，即使发生负载事故或使 用不当，也可以保证IPM自身不受损坏，出现故障时， IPM会将故障信号送到STM32的错误端口，STM32关闭 PWM输出锁定电机起到保护作用。 1.3 检测部分 无刷直流电机的加速度与电动机的转矩成正比，而 转矩又与电动机的电流成正比，要实现电机的高精度高 动态性能控制，就需要同时对电机的速度、电流及位置 进行检测和控制。 1.3.1 位置检测 位置检测采用霍尔传感器，其三路位置信号的输出 与STM32的3个输入引脚相连，每个输出信号的上升沿 和下降沿都被检测到，由STM32的霍尔接口接收对其进 行译码以确定电机换相,由于STM32采用内部级联的方 式实现换相，整个过程同步进行，驱动效率更高。 1.3.2 速度检测 转速检测的精度对系统的控制效果有较大影响，考 虑到STM32本身具有正交编码接口，而且可编程编码 器的输入频率，因此为了获得更高精度和快速的数字测 速，本系统采用增量式光电编码器来检测电机转速。另 外，选用的光电编码器输出的是5V数字电平，STM32 的端口都可以容忍5V的输入，因此无需附加特别地电 平转换电路，编码器输出可通过光电隔离后直接连接到 STM32的编码器接口。 图1 系统结构图 信息系统工程 2012.3.2034 EDUCATION FORUM 教育论坛 1.3.3 电流检测 电流检测采用隔离式的霍尔电流传感器LTA50P SPl对直流母线上的电流进行检测。STM32芯片的可读 电压范围的为0-5V，可将霍尔电流传感器采样转换后的 电压值直接送入STM32的A/D端口，转化成数字量进行 过流判断以及参与电流环运算，并且STM32的A/D的转 换可以开启DMA通道，转换效率更高，实时性更好。 二、控制策略 为了达到控制精度和动态性能，本系统选用了转 速、电流双闭坏调速系统，它具有良好的起动和抗干扰 性能，可以满足本系统的需要。 电流环的作用是提高系统的快速性，抑制电流环 内部干扰，限制最大电流保障系统安全运行，电流环 采用变速积分的PID调节器。变速积分 PID 算法的基 本思想是：改变积分项的累加速度，使其与偏差大小 相对应；偏差越大，积分越慢；反之越快。为此，可 以取非线性函数 fe(k) ，f的值在 01 区间变化，当 偏差大于A+B时，证明此时已进入饱和区，这时f =0， 不再进行积分项的累加；|e(k)|A+B时，f 随偏差的减 小而增大，累加速度加快，直至偏差小于B后，累加速 度达到最大值 1。这种算法对A，B两参数的要求不精 确，当A，B的值选的越大，变速积分对饱和抑制作用 越弱。一般取A=30%|e(k)|MAX，B =20%|e(k)|MAX 为宜。变速积分用比例作用消除了大偏差，用积分作 用消除小偏差，大部分情况下可基本消除积分饱和现 象，同时大大减小了超调量，容易使系统稳定，改善 了调节品质。 速度环的作用是增加系统抗负载扰动的能力，抑制 速度波动, 保证系统静态精度和动态跟踪的性能，速度 环采用积分分离的PID控制算法，即在开始跟踪被控量 时，先取消积分作用，使比例项迅速跟踪偏差的变化， 当被控量接近新的设定值时再将积分作用加入，这样既 可以避免超调又可缩短达到稳态的时间，起到了积分校 正的作用。控制流程如图2。 三、软件结构 主程序的功能是初始化STM32所需要用到的控制 寄存器(包括设定系统时钟、系统状态寄存器等)、初始 化I/O端口(包括PWM输出和检测模块的接口及通信端 口)、初始化中断设置(确定系统所需要用到的中断类别 及中断源)、检测电机的初始位置以及初始化需用到的 控制变量等。中断程序主要是实现转速调节(包括速度 调节子程序和电流调节子程序)。系统软件流程如图3。 四、实验结果及分析 为了验证和分析控制系统的性能, 我们采用了一台 Maxon精密电动机公司研制的稀土永磁无刷直流电机 作为样机进行试验，该样机额定功率 750W，额定转速 4000r/min。在设定速度为3000r/min时，采用不同控制 策略系统响应曲线如图4、5所示，分析可以看出，系统 稳定时速度基本维持在设定值，稳态精度控制在0.5%之 内，系统响应速度较快，调节时间较短，超调量较少， 获得了较好的起动性能与运行性能，满足了无刷直流电 机系统对速度调节的平稳性和快速性的要求。 （下转36页） 图2 无刷直流电机转速、电流闭环控制系统 图3 系统软件流程 信息系统工程 2012.3.2036 EDUCATION FORUM 教育论坛 SYS PRACTICE 系统实践 移动通信技术的兴起和发展阶段，并逐步向个人通信业 务方向迈进。 第五阶段为 90 年代中至今。随着数据通信与多媒体 业务需求的发展，适应移动数据、移动计算及移动多媒体 运作需要的第三代移动通信开始兴起，其全球标准化及相 应融合工作与样机研制和现场试验工作在快速推进，包括 从第二代至第三代移动通信的平滑过渡问题在内。 三、无线通信技术的实践应用 无线通信技术应用范围广泛，目前已经在农业、工 业等方面都有了较广泛的应用。精准农业是农业发展的 必然趋势，在农业生产中的作用越来越重要。实现精准 农业的关键技术除了农业技术本身外，还有无线通信技 术。 精准农业是将生物技术、现代信息技术、农机工 程装备技术和农业科学技术相结合的新型农业技术。精 准农业技术体系包括：遥感遥测技术、定位技术、决策 技术、计算技术、专家系统、动态优化技术、无线通信 技术、传感技术、数据库技术、传感器网络技术、网络 技术、射频识别技术等。 乡村电能抄报系统是一种集用户电能信息抄报、电 能信号采集、电费管理及用户详细资料、票据打印及各 种报表打印等功能为一体的农村电网用电管理系统，其 最基本的技术是无线通信技术。该系统采用无线技术, 基于通信网络，通过用户系统管理软件、电量采集器和 手持机实现乡村营业用电的电量采集和数据处理。 将无线通信技术应用于温室中。该技术在温室中 的应用是温室环境监测和温室控制从有线到无线的一次 重要变革。无线通信技术在温室中的应用主要涉及到了 Zig Bee、GPRS、蓝牙、GSM 以及无线射频模块。 总之，无线通信网络的发展需要综合运用各种手段 和技术，系统地解决我国无线通信技术发展机制中存在 的问题，以便进行科学建设和规划，满足各种用户群体 的需求，体现无线通信网络的整体优势。 参考文献 1庾志成.20052006 移动通信新技术发展分析J.移动通 信,2006. 2邓敏.移动通信的新发展J.广西通信技术,2006. 3侯进多,陈春霞.浅谈无线通信技术的应用J.魅力中国,2009. 4徐辉.浅析我国无线通信技术的发展历程与趋势J.中小企业 管理与科技,2009. （作者单位：天津工业大学信息学院 ） （上接34页） 图4 传统PID系统响应曲线 图5 改进PID系统响应曲线 五、结论展望 本文应用ST公司的STM32RBT6 ARM芯片设计了 一个基于速度、电流双闭环结构的直流无刷电机控制系 统，并对直流无刷电机控制算法进行了研究。在系统设 计过程中，采用了合理的软、硬件结构。采用ARM控 制芯片实现无刷直流伺服系统，结构简单，易于实现复 杂的控制规律，实时效率更好。该系统不仅成本低，易 于实现并且性能稳定，方便扩展，无论是对工程实践还 是对电机调速方面的研究都有重要意义。 H 参考文献 1张琛.直流无刷电动机原理及应用M.北京:机械工业出版 社,2004. 2彭刚.基于ARMCortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器应 用实践M.北