博林特无刷直流电机控制器设计方案

无刷直流电机控制器设计方案贾文君博林特电梯研发中心2008年7月21日目 录1无刷直流电机工作原理12关键技术22.1 换相控制22.2 速度闭环控制33主要器件选型33.1主控芯片33.2功率模块43.3转子旋转位置传感器54控制器硬件设计64.1 电源74.2 IPM功率模块84.3 LCD接口84.4 MCU接口94.5 SCI接口95控制器软件设计106用于门机的BLDC控制特殊设计116.1门机控制模式116.2开关门过程116.3门宽自学习13参考设计：13门机控制器设计方案1无刷直流电机工作原理无刷直流（BLDC）电机是内外倒置的直流电机。一般的直流电机定子是永磁体。转子上有绕组，对绕组通电，通过使用换向器和电刷将转子中的电流反向来产生旋转的或运动的电场。而与此相反，在BLDC电机中绕组在定子上而转子是永磁体。图1所示为无刷直流电机实物图片。图1 无刷直流电机实物图片为了使BLDC转子转动，必须施加旋转磁场。三相BLDC电机具有3相定子，同一时刻应使两相通电，以产生旋转电场，但为了防止永磁体转子被定子锁住，在获得转子磁体精确位置的前提下，必须以特定的方式按顺序为定子通电。转子的位置信息通常由霍尔传感器检测转子磁体位置获得，也可采用轴角编码器方式获得，通过换相驱动与定子绕组连接的各功率开关管的导通与关断，从而控制定子绕组的通断电，在定子上产生旋转磁场，拖动转子旋转。随着转子的转动，位置传感器不断地送出信号，改变定子绕组的通电状态，使得在同一磁极下的导体中的电流方向不变，就可产生恒定的转矩使无刷直流电动机转起来。三相BLDC电机驱动控制示意图如图2所示。为了使BLDC电机的速度可调，还必须在两相绕组的两端加上可变电压。通过改变加在BLDC电机绕组上PWM 信号的占空比就可以获得可变电压。一般电机控制芯片都具有六路PWM信号驱动输出，用于控制IGBT 或MOSFET开关，可以将三相绕组驱动为高电平、低电平或截止。图2 三相BLDC电机驱动控制示意图2关键技术2.1 换相控制BLDC电机位置传感器输出转子位置信号，经过控制电路以及驱动电路后，功率开关管导通在两相绕组间形成定子磁场，定子磁场和转子磁场相互作用使转子转动。在60o电角度范围内转子磁场连续转动，而定子磁场在空间保持不动，只有当转子转过60o电角度时，定子磁场跳跃变化，每个步进角是60o电角度。转子每转过60 电角度，逆变器功率开关就进行一次换相，定子磁场状态就改变一次。电机在360o电角度内有6个磁状态，每一状态对应两相绕组导通，并且每相绕组流过电流的时间相当于转子旋转120o电角度，功率开关管的导通角为120o 电角度。功率开关的导通逻辑与HALL换相信号的对应关系如图3所示。表1-1、1-2分别为电机顺时针旋转和逆时针旋转时的相交换时序。图3 BLDC交换控制信号表1-1 顺时针旋转交换序列Hall Sensor InputsIGBT SchemeHall Sensor AHall Sensor BHall Sensor CPhase APhase BPhase C110+VdcNC-Vdc100+Vdc-VdcNC101NC-Vdc+Vdc001-VdcNC+Vdc011-Vdc+VdcNC010NC+Vdc-Vdc表1-2 逆时针旋转交换序列Hall Sensor InputsIGBT SchemeHall Sensor AHall Sensor BHall Sensor CPhase APhase BPhase C110+VdcNC-Vdc100+Vdc-VdcNC101NC-Vdc+Vdc001-VdcNC+Vdc011-Vdc+VdcNC010NC+Vdc-Vdc2.2 速度闭环控制为了实现对BLDC电机转速的闭环控制，采用如图4所示的控制系统，MCU负责处理采集到的数据和发送控制命令，主要实现PWM脉宽调制、速度检测、换相控制以及速度的PI控制等功能。通过MCU的输入捕获端口捕捉BLDC电动机转子位置传感器上的脉冲信号，判断转子的位置，由换相控制输出合适的驱动逻辑电平控制功率开关IGBT或MOSFET的导通和截止，再由功率驱动电路驱动电机旋转。MCU根据电机的设定速度，采用PI控制算法产生适当占空比的PWM脉宽调制信号控制电机的转速。换相控制保证了功率开关在一个信号周期内1200的导通，换相的次数由MCU检测到的换相信号决定。速度反馈值由MCU对换相信号的脉冲宽度进行捕捉和定时得到。图4 带位置传感器的BLDC电机速度闭环控制原理图3主要器件选型3.1主控芯片主控芯片采用Freescale（原Motorola半导体事业部）MC68HC908MR16的64引脚8位单片机。MC68HC908MR系列芯片是专为交流感应电机、无刷直流电机等设计的，它采用M68HC08结构，并集成了多种功能模块，主要包括：12位6通道脉宽调制模块PWMMC；串行外围接口模块SPI；串行通讯模块SCI；16位定时器模块；10位模数转换模块等。芯片封装如图5所示。应用程序开发软件采用Metrowerks公司的软件产品CodeWarrior，它是专门面向Freescale所有的MCU与DSP嵌入式应用、跨平台的软件工具，是Freescale向用户的推荐产品。CodeWarrior for HCS08 是面向以HC08或S08为CPU的单片机嵌入式应用开发的软件包，包括集成环境IDE、处理器专家库、全芯片仿真、可视化参数显示工具、项目工程管理器、C交叉编译器、汇编器、链接器以及调试器，可以完成从源代码编辑、编译到调试的全部工作。图5 64引脚封装的MC908MR16CFUE3.2功率模块无刷直流电动机电子驱动电路用来控制电动机定子上各相绕组通电的顺序，主要由功率开关单元和位置传感器信号处理单元两部分组成。功率开关单元是控制电路的核心，其功能是将电源功率以一定的逻辑关系给电动机定子各相绕组在一定时刻通以一定时间的恒定电流，以便与转子永磁磁场相互作用产生持续不断的恒定转矩。各相绕组通电顺序、通电时刻和通电时间长短取决于转子磁极与定子绕组空间的相对位置，传统的无刷直流电机通过位置传感器来获得转子位置信号，并经过逻辑处理，功率放大后形成逆变器的触发信号，再去控制定子绕组的通断，实现换相。逆变器的结构有半桥和桥式两种，但多采用桥式结构，对于三相无刷直流电机来说，其三相桥式逆变器和普通的三相直一交逆变器结构十分相似，但各桥臂元件一般只在一个输出频率周期内开、关一次。本设计采用三菱PS21563型智能功率模块（IPM）如图6所示，其额定电压600V，额定电流10A，适用于0.4Kw/220VAC的电机。PS21563内置了6单元IGBT，3相输出；采用了第5代 IGBT 工艺，内置优化的栅级驱动和过流保护、欠压保护电路，具有体积小、输出功率大的优点。图6 三菱PS21563型IPM模块实物端子说明：1：VUFS（U 组驱动电源地）14:UN（U 组下桥信号输入）2：VUFB（U 组驱动电源正极）15:VN（V 组下桥信号输入）3：VP1（控制电源正极）16:WN（W 组下桥信号输入）4：UP（U 组信号输入）17:FO（故障输出）5：VVFS（V 组驱动电源地）18:CFO（故障脉宽定时端子）6：VVFB（V 组驱动电源正极）19:CIN（短路电压采样）7：VP1（控制电源正极）20:VNC（下桥控制电源地）8：VP（V 组信号输入）21:VN1（下桥控制电压正极）9：VWFS（W 组驱动电源地）22:P（直流母线正极）10：VWFB(W 组驱动电源正极)23:U（U 组输出）11：Vp1（控制电源正极）24:V（V 组输出）12：Wp（W 组信号输入）25:W（W 组输出）13:VNO（与端子N 连接）26:N（直流母线地）3.3转子旋转位置传感器位置传感器在无刷直流电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为功率开关电路提供正确的换向信息，即将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，然后去控制定子绕组换向。电动机的位置传感器有很多种，常用的主要有电磁式、磁敏式、光电式等。电磁式位置传感器输出信号幅值较大、工作可靠、寿命长，一般不需要经过放大便可以直接驱动开关管，并且对环境要求不高，但是它的信噪比较低、体积较大；光电式位置传感器性能比较稳定、轻便可靠、安装精度高、调整方便，应用较为广泛，价格也相对较高；磁敏式位置传感器是某些电参数按一定规律随周围磁场变化的半导体敏感元件，其基本原理为霍尔效应和磁阻效应，目前霍尔位置传感器应用最为广泛。图7所示为基于霍尔效应的奥地利微电子公司出品的AS5040型无接触式磁旋转编码器。图7 AS5040和磁铁的典型配置根据无刷直流电机换相控制的需要，我们选用AS5040型无接触式磁旋转编码器，它可以精确测量整个360内的角度，并且可以为无刷直流电动机提供换向信号。此产品是一个片上系统，在单个封装内整合了集成式Hall元件、模拟前端和数据信号处理功能。测量角度时，只需简单地配备1个在芯片中心上方旋转的双极磁铁即可。磁铁可以安装在IC的上方或下方。这种绝对角度测量方式可即时指示磁铁的角位置，其分辨率达到0.35，即每圈1024个位置，可以同时提供绝对值串行输出、增量输出和PWM输出。PWM信号与角度对应关系如图8所示。PWM的频率经过内部调节，精度可达5%（在整个温度范围内为10%）。通过计算占空比，可以消除这种容限误差，其占空比与所测得的角度成正比：图8 AS5040输出PWM信号4控制器硬件设计控制器硬件主要包括逆变板和控制板两个主要部分，二者相对独立，主要通过线缆进行连接。逆变板将单项220VAC转变为三相直流，用于驱动BLDC电机，同时为单片机（MCU）和IPM功率模块等器件提供5V、12V、15V直流供电电压；控制板的功能主要是实现电机转速的闭环控制，并可根据指令要求按参考曲线对BLDC电机进行调速，以满足电梯门机的控制性能指标要求。逆变板主要包括：电源、IPM功率模块、传感器接口等电路单元；控制板主要包括：MCU及外围接口、LCD接口、按键、输入输出隔离、SCI接口等电路单元。4.1 电源BLDC电机供电的直流电源由50Hz工频交流电经全波整流得到的直流电，送入三相逆变电路，作为BLDC电机的供电电源，整流电路如图9所示。由于公共电网上的交流电存在干扰，因此在相线与零线之间并接一压敏电阻，当电压在极短的时间内上升到一个很高的电压阀值时，压敏电阻的阻值变小，以旁路可能影响系统的瞬时过电压，实现过压保护；同时在零线上串接一7A的保险丝，实现过流保护。电源相线和零线与地线之间跨接的陶瓷电容用来消除共模干扰。为了消除电源接通瞬间冲击电流的影响，使用热敏电阻用来延长电解电容的充电时间；当切断电源瞬间，电解电容可能充电饱和，与电容并联的泄流电阻的作用是将电容上的电荷释放到接地端，降低了潜在风险。图9 整流电路原理图驱动和控制电路电源的性能直接决定着系统工作的稳定性和可靠性，因此在本设计中使用了较多的开关稳压器件。MCU、继电器、IPM功率模块等的供电电压分别为5V、12V和15V，这些直流电源首先由变压器的次级直接输出两路标准的18VAC电源，整流后分别接LM7812和LM7815分别产生一路12V和一路15V直流电压源。12V电压直接为继电器供电，并经DC-DC模块，输出另外两路互相隔离的5V电压，分别为MCU和传感器接口电路供电，设计原理图如图10所示；15V电压经四个DC-DC模块分别输出4路互相隔离的15电压，主要为IPM功率模块供电，15V电压经LM7805线性稳压模块，得到另外一路5V电压，主要为高速光耦供电，设计原理图如图11所示。在上述线性稳压模块和开关稳压模块的输入和输出端均接有滤波电容，以使输出直流电压稳定在一定的纹波范围以内。图10 直流电源设计1图11 直流电源设计24.2 IPM功率模块IPM功率模块的接口电路设计参照三菱“DIP-IPM应用技术资料”进行设计，具体设计说明从略，设计原理图见图12。图12 IPM功率模块及外围电路设计4.3 LCD接口本设计选用的LCD是1602型液晶模块，它是一种用5x7点阵图形来显示字符的液晶显示器，可以显示2行16个字。数据引脚D0D7分别与MCU的PTB0PTB7端口相连，控制引脚RS、R/W、E分别与PTC2PTC4端口相连，接口电路设计原理如图13所示。图13 LCD接口电路设计4.4 MCU接口MCU接口电路主要包括电源、外接晶振、复位按键等外围电路，如图14所示。具体设计参考自“MC68HC908MR16 Data Sheet”。图14 MCU接口外围接口电路设计4.5 SCI接口 由于MCU的供电电压是5V直流，而串行通讯端口是RS232电平，通讯电平采用RS232电气特性是为了提高通讯的抗干扰能力，但MCU和串行接口之间要进行电平转换。电平转换采用MAX232集成芯片，在5V供电电压和适当连接的电容，可以产生12V通讯电平。具体设计电路如图15所示。图15 SCI接口电路设计5控制器软件设计控制器软件的主要数据流程如图16所示。用户通过人机接口（LCD和KEY）对控制器运行参数和速度参考曲线进行设定，PI速度控制器根据参考速度和测量速度的偏差计算PWM脉宽调制信号的占空比，作为控制量对电机进行调速控制。电机转子的转向和转角采用中断处理的方式对AS5040输出的PWM角度信号进行沿捕捉，判断转子的旋转方向用于速度计算，转角用于对IGBT功率开关进行交换控制。图16 软件数据流程图6用于门机的BLDC控制特殊设计6.1门机控制模式根据设计要求，所设计的控制器使用行程开关组作为位置检测开关。行程开关组由安装在电梯门导轨上的4个磁性霍尔传感器组成的，分别用来检测开门到位、关门到位以及电梯门执行动作过程中的两个速度的切换点，门机控制器接收行程开关反馈回的开关量，从而判断电梯门当前的所在位置状态，从而控制电动机的转速和方向。门机控制系统的基本输入信号和输出数字信号如图17所示。图17 控制器基本输入输出数字信号量6.2开关门过程电梯门具有开关迅速的特点，为了避免电梯门在开门和关门时发生冲撞，要求电梯门机应按理想速度曲线自动调节开关门过程中运行的速度。门机理想运行曲线如图18所示，按速度分区为：开门力矩保持区A0，关门低速区A1，关门加速区A2，关门高速区A3，关门减速区A4，关门末段低速区A5，关门力矩保持区A6，开门低速及加速区A7，开门高速区A8，开门减速区A9，开门末段低速区A10。高速时的过渡曲线为光滑的S形曲线。X1X4为行程开关，安装在电梯门的导轨上，控制器根据开关反馈回来电梯门位置信号，控制电机转速。在开门和关门过程中的X1X4的电平变化时序如图19、20所示。A3、A8占整个关门或开门行程的70%以上，其余区段均为缓冲行程，主要目的就是为了门机启动和停止时平稳。为了安全起见，防止关门时夹人，设计关门平均速度低于开门平均速度，并且对开门宽度的80%8%范围内的关门动作进行力矩监控，若超过了最大允许关门力矩，则轿门停止运行，自动转为执行开门过程，待门开到位后再次自动重新关门。力矩保持区的目的是对门开或关到位后，使电机输出很小的转矩，防止轿门被轻易扒开而发生危险。图18 门机开关门运行曲线图图19 关门行程开关时序图图20 开门行程开关时序图6.3门宽自学习门宽自学习主要是对电梯门门宽进行自学习。在开关门的运行过程中，门宽参数用于计算运行曲线所需要的位置值，即：低速结束点、高速结束点、加速起始点和减速起始点。门宽参数自学习的工作过程为：在门机控制系统完