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l设 计 与 分 析 .S h e , - 日 7 e n- i 基于 S T M 32 的无刷直流电机控制系统设计及低速平稳性分析 范晋文 .唐立军,吴定祥2贺慧勇- ( l .长沙理工大学物理与电子科学学院,湖南 长沙 4 1 0 0 0 2 ;2.长沙亿旭机电科技有限公司,湖南 长沙 41 0 00 7 ) 摘要: 设计了低压BL DC M 控制系统, 以换相理论为基础分析了减小转矩脉动的方法 “实验证实,该系统能很好地实现无刷直流电 机的运行控制,且低速提前换相策略能有效抑制电机低速时的换相转矩脉动,具有较高的工程实用价值“ 关键词:无刷直流电机 ;提前换相 ;转矩脉动;低速平稳性 0引言 永磁无刷直流电机(BL 1二 M )使用的是电子换相,而非有 刷换相 ,其具有效率高 ! 噪音低 ! 结构简单 ! 可靠性高和维护性 低等特点,因此被誉为高性价比电机 “但 B L I 二 X二 M 在换相的时 候存在力矩波动,不但影响了低速时的运动控制性能,而且还 会产生噪声 ! 振动 ! 谐振等一系列问题,使得BL以二 M 在低速运 动时的应用受到很大限制 “在电机换相时,反电势与电流均会 产生变化, 它们之间相互影响,从而导致了换相时的转矩脉动 “ 本文根据 BLDC M 在换相暂态时刻电流波动所造成的转 矩脉动提出了提前导通的换相方法“利用 S T M 3 2 定时器估算 出换相时间, 控制 IG13 T 在换相时刻来临之前提前导通,从而消 除换相所引起的转矩脉动 “ 方程为 : , e! 一 “ ! 一 ( :一 城华一 2(:一 涵车一 !1 ,一 2“1 0 20 乙 你 一e B 一 2 ( L 一 M ) i八 + iB+ ic 一 0 华一 (:一 二车一 2 :,! ,一 *,一“ - 3. O 艺Q 乙 由于续流时间很短 , 因此可忽略在此 区间 内绕组感 应电动势 的改变 “ 由式(3 ) 可推导出续流回路即 B 相绕组的电流表达式: Z 日 一 烧黔 一 (,! 寻 业 箫鱼)“ 占 了! 4) 式中,缅为换相前一刻 i“的初始值 “ i“衰减到 “所需要的时间为: L 一M , 厂 u+ “ *“ 一仑 !/ 二u + “ ,;! 一“ I ! , t“ = 一二下书二 In 竺 一 鲁 认 止竺 生/ 1 1! 十= 二书羚尸之l (5 ) R/ - 仁3R/ 戈 - 四 .3R/ : 换相理论与减小转矩脉动方法 导通回路的电流表达式为: , .,电机换相转矩分析 对于 B L 跳 M 控制而言,电磁转矩脉动和换相转矩脉动是能够 通过控制手段得到抑制的转矩脉动 “其中, 换相转矩脉动是 电机 转矩波动的主要原因, 国内外有诸多文献对其进行了研究和分析“ 无刷直流电机运行时 ,每个状态都有导通域和换相域 ,每个工作 状态的周期为6 0 “ 电角度“在导通区域,定子绕组有两相导通;在换 相区域,三相定子绕组均导通,分别为不换相相!电流上升相和电流 衰减相“当绕组A ! B 相导通时电机电流方程为: _细 + e A (一 2 u伽 +散 一Z u _ 占 - 一一一瓦可)- - T - - 一一丽 )f (6) 由式(4 ) 和式 (6 ) 可知, 在换相区间, 开通相电流呈指数规 律上升, 而关断相电流呈指数衰减, 电流变化的速率为: 一 禹 ( i *+些翁鱼) 一 占- 里 精 驾淤e 一 !, (7) . d编 , _ . u 以一/0十欲七 一 似,亩 十峨 - m (1) 之A-一之B 一之m 此时, 电机产生的电磁转矩为: 工 一止 (“ Ai八 + e“ i“ + e c iC)一生i!(e!一“ B) (2 ) 式中, 众! iB!泛 c 为定子绕组电流 ;e A ! e“! e c 为定子绕组 电动势;L 为 每相绕组的自感;M 为每两相绕组间的互感, 由于转子磁阻不随转 子位置变化而变化,所以绕组的互感和自感为常数;“为电机的机 械角速度 “ 由式 ( 2 ) 可知,相电流瞬时值和相绕组感应电动势决定着电机 的瞬时电磁转矩 “ 在导通区域, 电磁转矩大小仅与相绕组 的反电动势 以及导通 相的电流瞬时值有关,对于没有定子铁心的 B L 砚 M 而言, 由于电 枢电感较小,致使电磁转矩在导通区间波动很大 “ 当 B LDC M 绕组由 B 相反 向导通 向 C 相反向导通转换时, A 相绕组仍为正向导通 “此刻 ,各相绕组线圈中都有电流流过 “当 B 相绕组线圈中的电流为 “时,换相过程终止, 电机进人 A ! C 相导通 运行区“当 B 相换相到 C 相开始时,续流相和导通相 回路的电流 项 目名称:湖南省科技计划项 目,项 目编号:ZOllG K 3 l l 6 在换相时,ioeA B 对应的电磁功率减小, i“ 巴 ! 对应的电磁功 率增加, 当 i oeA B 一i“ eA c 一“时, 电机的电磁功率不变, 其差值越 大, 引起的换相转矩脉动越大 “ , . 2定时器级联方式控制 pW M STM 3 2使用高级控制定时器产生 PW M 信号驱动B I 创 民 M 时,把霍尔传感器的3 个反馈信号接到 1个通用定时器的 3 个 通道上,作为接口定时器, 这个定时器的 3 个通道通过 l个异 或门连接到接口定时器的 1路输人通道,接 口定时器捕获这个 信号后通过内部级联产生一个上升沿信号,使定时器 1 ( 高级定 时器)改变 6路 PW M 输出以达到换相的目的 “ 高级定时器具 有本次换相同步装人和下次换相预装载的功能, 且换相延迟很 短, 驱动效率较高 “ , . 3提前换相及实现 理想的电流波形是矩形波,但实际上, 由于绕组线圈的影 响, 电流在变化的过程中有一个上升或者下降的区间, 而不是 如理想状态下的瞬时改变, 需要有一个过程 “ 因此, 如果在实 际BL以二 M 运行过程中, 换相绕组电流改变率不一致, 即导通 相电流从 “到设定值的时间和关闭相衰减到 “的时间不相等, 要么导通相电流上升快, 要么关闭相电流下降快 “ 根据基尔霍 夫电流定律,非换相绕组中的电流将会产生波动, 从而 B I JIX 二 M 就会产生转矩脉动 “因此, 只要消除电机换相时刻电流的波 13 2 S卜e ,.- 口 F e 门 一 设 计 与 分 析 l 动,就可以抑制无刷直流电机的转矩脉动 “ 本文通过 ST M 3 2 定时器捕获霍尔反馈, 计算出电机在每 个状态下持续的时间, 每个开关管只在开通的前 30 0 和后 30 0 期 间进行 PW M 调制, 中间 6“ “ 保持恒通 “ 电平信号(矩形波) “同时,将检测到的相电流 八 J 2 信号与通过 光电编码器反馈的 3路 PW M 输人 ST M 3 2 , 根据 P I 算法决定 PW M 信号的占空比“ 电机速度的快慢取决于 PW M 占空比的 大小 ,根据实际而定“ 2硬件设计 基于 ST M 3 2的无刷电机驱动器, 由ST M 3 2 F 1 0 3 C BT 6+ IR213 1 组成控制系统,6 片 IRF54 0 作为 U VW 功率驱动,带动 一个2 4 3 0V 的无刷电机, 可以支持 U VW霍尔信号以及 A BZ 光电编码器信号输人 “ 本控制系统的硬件部分主要由三相逆变桥电路 !开关管驱 动和电源电路 ! 保护电路 !系统控制单元及其相应的外围电路 ! 电压检测电路 !电流检测电路等构成 “图 1为整块开发板主要 部分硬件示意图“ 图中粗箭头一个是转子位置的反馈, 另一个 是 BLD CM 霍尔信号的反馈,2 个细箭头捕获的是故障信号与 电流的 A D “ 本系统初始化运行后,通过外部输人的 12 W M 波 的占空比来控制电机速度 ,电机转动则是通过 ST M 3 2 定时器 1 的 6路输出来控制 ,同时加上 Pl控制调节速度 “ 征征 1接J J J 分分分分分分分分分分分八八 R R R S I扮 5于 炙 t8 8 8 G BT T T T T T T T T T T T T T T T T T T 驱驱驱驱驱驱驱驱驱驱驱动动动故件 草 检浅 J J J 十十十十十十十十十十十 党 块块块块 转转向扑制和和和和和和和和和和和和 外外部PW M 控速速速速 电电流检测电路路 光光电编编 码码器组组 件件件 3软件设计 3.,整体 P I 控制策略 为了达到控制精度和动态性能的要求,本系统选用了双闭 环调速系统(电流环 !速度环), 它具有良好的启动和抗干扰特 性, 可以满足本系统的需要 “电流环的作用是通过 S TM 32 直 接控制电流从而更快调节电机的速度, 电流环采用 P I 调节器 “ 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 P I 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 作用加人,这样既可以避免超调又能缩短达到稳态的时间,起 到了积分校正的作用 “ 在此控制方案中,霍尔传感器的信号和光电编码器的计数 脉冲连接 ST M 3 2 的捕获单元端“ 根据增量式编码器反馈的 3 路 PW M 信号,STM 3 2 可以计算出电机运行速度,该转速作为 速度参考值的反馈量,然后通过速度 P I 调节可得设定的速度 “ 图 3为整体控制框图“ 脉脉冲计数数 速速度度度电流流流PW 入 1 1 1 调调节器器器调节器器器控制制 电电流检测测 图 1硬 件整体框 图 图 2 所示为三相逆变桥 电路 !11 论13 1集成驱动模块和 B L 砚 M 的电路连接图“功率逆变电路采用电压型三相全桥逆变 电路“实验所用的1 3LI兀M 为额定功率 75 0w ,额定电压 2 4 V ; 选用分立式电子开关 I G B T 便于散热,型号为 BSM SOG I 艾“ I2 LC “ 图3整体控制框图 3 . 2整体控制流程 主程序流程如图 4(a ) 所示,其只是基本流程,实际应用中还 应加人相应的电流检测和故障保护等程序 “定时中断子程序流 程如图 4(b ) 所示“进人中断后,程序首先进行现场保护, 通过光 电编码器反馈的 3路 PW M 信号, 计算出转子的转速, 由此就可 Q 1 . 厂 下 瓜 下 积 光光 祸祸祸祸 _ I R Z : 飞l l l l l l l l l !8 卜产牲笋笋 Q l . 片Q勺 片Q气 片 ! ! ! ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) )/飞 卫竺 二甲! ! ! I I I I I I I I I I I 匕 _ -一 _ _ _ _ 一 j j j ! ! ! ! ! ) ) ) ) )刃刃刃 l l l l l l l l ll l l l l ! 少j j 页1 3 图 2控制电路原理图 转向控制接 口(DIR)负责接收控制指令改变电机的运行方 向“速控接口(PU L ) 通过 51,M 3 2 计算出输人 PW M的占空 比,然后调节 ST M 3 2 定时器 l 输出P W M 占空比, 达到外控速 的目的 “通过获取霍尔传感器的霍尔信号 ,S TM 3 2利用 电机 旋转顺序控制定时器 1 的 6 路输出顺序, 以决定 IG B T 的开关 信号, 使得电机运转 “电机 自带增量式光电编码器, 反馈 3 路 硬硬件 系统 初始化化 使使能;个 打开定时中中 I I I 析, 启动定时 器器 报报据转子位位 置置启动电机机 现现场 保护护 读读取浦获获 单单儿状态态 计计 锌机转 子子 位位置和转 速速 调调 整PW M M M 控控 制信号号 恢恢 复现场场 (a) 几 程序流程(b ) 中断了程J 争流程 图4程序流程图(下转第 13 5 机电信息2013 年第 巧期总第36 9 期 S he J一 y u F en x 建海洋调查仪器设备资源共享平台所需的各种仪器资源或设 备资源, 为海洋调查用户提供各种仪器设备的共享应用服务“ 第 6 层为用户层,此层用户通过共享平台的W e b 界面登陆海洋 调查仪器设备资源共享平台, 进而利用系统提供的各类共享资 源协同地进行工作, 实现海洋调查共享应用服务功能 “ 3海洋调查仪器设备资源共享平台的实施运行 为实现海洋调查仪器设备资源共享平台的设计思路, 确保 建立一个规范有序的海洋调查仪器设备资源共享体系,实施与 运行海洋调查仪器设备资源共享平台方案时, 应该考虑采取如 下措施:(1 ) 重视队伍建设 “一般来说, 由于涉及的学科门类较 多且较复杂, 因此海洋调查的专业性很强, 只有配备相关专业 技术人员, 组建既熟悉海洋调查业务又能熟练操作相关设备的 技术队伍,才能很好地完成海洋调查任务 “为此,可以通过组 织仪器设备技术人员和平台操作用户参加相关培训来提高其 技能!知识水平,进而加强仪器设备技术人员和平台操作用户 队伍的建设 “(2 )重视整合资源 “应摸清现有海洋调查仪器设 备资源的底细,统筹地对这些资源进行登记 ! 造册 ! 分类 ! 建档, 夯实资源共享平 台的规范化基础, 并根据海洋调查学科的特 点 ! 优势和发展方向发现应该重点管理的仪器设备, 实现海洋 调查仪器设备资源共享平台系统与地方相关大型仪器设备共 用协作网资源共享系统的链接 ,进而在实施海洋调查仪器设备 资源共享平台方案时做到心中有数 “ (3 )重视计量管理 “海洋 调查仪器设备一般来说都属于计量器具, 故完成海洋调查测量 任务的质量保证主要体现在 :海洋调查仪器设备是否通过了计 量认证;海洋调查仪器设备是否还处于有效使用期限内;海洋 调查仪器设备是否还能有效地测出数据 “因而,在实施海洋调 (上接第 133 页) 以确定换相时间, 调整 PW M 控制信号,确定开关导通顺序 “ 所有任务执行完毕后即可恢复现场,退出中断服务子程序“ 3. 3换相期间调制方式 在换相时, 控制两路 电流的开与关, 把传统方式的由零电 流到设定电流 2 种状态, 改进为由零电流逐渐上升到设定电 流, 期间至少经过 1 种状态 “ 查仪器设备资源共享平台方案时要重视计量管理,建立一种开 放性的计量 !检验 !测试基地,并组建一支合格的管理 队伍 “ (4 )重视技术保障 “实施海洋调查仪器设备资源共享平台,需 要建立由多学科专业技术人员组成的技术保障专家库 “选聘 精干的海洋调查仪器设备维修专家,配置一些必要的海洋调查 仪器设备维修工具,存档技术保障专家库成员的联系方式,组 成一支随时可用的技术保障服务队,从而能够根据海洋调查仪 器设备操作用户的要求,及时开展技术保障工作 “ 4结语 在海洋调查业务领域,仪器设备管理是一项复杂的系统工 程, 只有运用先进的科学技术和管理方法, 构建海洋调查仪器 设备资源共享平台,实现对物流 ! 人流 ! 财流 ! 信息流的协调管 理,解决其越来越突出的重复购置 ! 分布不均 !使用率低等问 题,才能最大限度地发挥海洋调查仪器设备资源的社会效益和 经济效益, 从而进一步提升我国海洋管理的综合能力 “尹 1参考文献 1 白福义.海洋调查仪器设备资源共享平台方案设计7J2 .海洋技 术,2006(2) 72二李学静.仪器设备资源网络化共享系统体系结构及运作方法 研究1剑.重庆大学,2007 收稿 日期 :2013一 03一 15 作者简介:谭鹰(1961一 ), 男, 四川成都人 ,工程师, 主要从事 设备管理工作 “ 幅小于 5% , 达到平稳误差以下,且电机换相瞬间扭矩平稳 “所 以,采用提前换相算法的驱动系统对低速转矩脉动有一定的抑 制作用“ 本文通过定时器T I M S 计 , 算出换相时间, 然后提前预换 相,如图 5 所示“ 再通过控制 PW M ,

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