无刷直流电动机调速系统数字控制器设计与开发

电气与自动化 王哲蓓 等 无刷直流电动机调速系统数字控制器设计与开发 无刷直流 电动机调 速 系统数 字控 制器设计 与开发 王哲蓓 王宏华 河海大学 能源与 电气 学院 江苏 南京 2 1 1 1 0 0 摘要 选用 MS P 4 3 0 F 1 4 9单片机作为控制器核心 设计了一种无刷直流电动机双闭环调速 系 统数字控制器 采用转速电流双闭环 P I 控制策略 使无刷直流电动机调速系统具有优良的动 静 态性能 关键词 无刷直流 电动机 调速 系统 双闭环 P I 控制 数 字控 制器 中图分类号 T M3 3 文献标志码 B 文章编 号 1 6 7 1 5 2 7 6 2 0 1 6 0 1 0 1 6 3 0 4 De s i g n o f Di g i t a l Co n t r o l Sy s t e m Ba s e d o n BLDC M o t o r W ANG Zh e be i WANG Hon g h u a S c h o o l o f E n e r g y a n d E le c t r i c a l E n g i n e e r i n g H o h a i U n iv e r s i t y N a n j i n g 2 1 1 1 0 0 C h i n a Abs t r a c t BLDC mo t or i s a n e w va r ia ble sp e e d mo t or wit h e l e c t r o me c ha n i c a l f u n c t io n s wh i c h h a s t h e a dv a n t a ge s o f simple s t r u c t u r e r el ia ble o p er a t ion ea s y main t e n an c e a n d h igh e ffic i e n c y Th is p a p er t ak e s t h e MSP 4 3 0F 4 9 a s t h e c o r e o f t h e digit a l c o nt r ol s y s t e m an d u s es t h e d ou ble c los ed l o o p PI c o n t r o l wit h s p e e d a n d cu r r e n t I t mak es t h e dig i t al c on t r ol s ys t e m h a v e a n e x c e l len t p er f o r man c e Ke y wor d s BL DC mo t o r g o v emi n g s y s t e m d ou b le c lo se d l o o p PI c on t r o l digit al c o n t r oll e r 0 引言 无刷 直流电动机是 随着 电子技术 的迅 速发展 而发 展 起来的一种新型直流电动机 它是现代工业设备中重要的 运动部件 无刷直流电动机与有刷直流电动机的不 同 之处在于采用了电子换向装置替代机械换相装置 保留了 有刷直流电动机宽广和平滑的优良调速性能 克服了有刷 直 流电动机机械换相 带来 的一 系列缺 点l 2 集交流 电动 机和直流电动机优点于一体 它既具有交流电动机结构简 单 运行可靠 维护方便 等优点 又具备直 流电动机运行效 率 高 调速性 能好的特点 同时无励磁损耗 是 最理想的调 速电动机 J 近年来无刷 直流 电动 机在数 码照 相机 摄影 机 打 印 机 手机以及汽车空调 洗衣机 电动车等领域获得广泛的 应用l 4 在当今工业 自动化领域中 有刷直流电动机已 经逐步被无刷 直流电动机所替代 5 高性能 数字控制器是 无刷直 流 电动机调 速系统 的关 键技术l 6 文 中基于双闭环 P I控制的策略 以 M S P 4 3 0 F 1 4 9作 为 MC U设 计 了无刷 直流 电动机 调 速系 统 的数字 控制器 实现 了无刷直 流 电动机调 速系统 具有优 良动 静 态性能 的运行 1 数字控 制器硬 件设计 基 于双 闭环 P I 控制策略设计 的无刷直流 电动机数 字 调速 系统结 构如 图 1 所示 1 主电路结构 图 1 系统 结构 图 控制系统主要由驱动电路 逆变电路 无刷直流电动 机本体 转子位置检测电路 控制电路 电流检测电路和参 数设置 及 显 示 电路 等 部 分 组 成 该 控 制 器 结 构 如 图 2 所示 图 2 控制器结构框 图 2 单片机控制电路 选用的控制芯片为 MS P 4 3 0 F 1 4 9 该单片机为 T I 公司 作者简介 王哲 蓓 1 9 9 0 男 江苏南 京人 硕 士研究生 从事 电机控制研究 Ma c h i n e B u i l d i n g Au t o m a t i o n F e b 2 0 1 6 4 5 J 1 6 3 1 6 6 1 6 3 电气与自动化 王哲蓓 等 无刷直流电动机调速 系统数字控制器设计与开发 的 MS P 4 3 0 F 1 x x系列单片机 文中单片机的 P 1口内含捕 获单元 用于捕捉霍尔位置传感器送出的转子位置信号 将 P 4口定义为 P WM模式 用于产生 P WM信号驱动逆变 桥 P 5口用于产生无刷直流电动机的逻辑换相信号 P 6 口用于对母 线 电流进 行采 样 P 2和 P 3口用 于显示 相应 参 数 设计 的 M S P 4 3 0 F 1 4 9最小 系统 带 3 2 7 6 8 k H z和 8 MH z 两种晶振 使用 U S B供电 可通过 R S 2 3 2接 口进行 串 口通信 3 驱动逆变 电路 驱动逆变电路中 逆变桥由功率开关管 Q卜Q 6组成 选取 I R公司的 S MP S MO S F E T I R F 3 2 0 5构成 三相逆 变桥 主电路 逆变器电路如图 3所示 图 3所示采用 2 0 n的栅 极电阻 凡 为直流侧电流采样电阻 其压降为电流采样电 路提供信号 图 3 三相逆变桥主 电路 MO S F E T驱 动芯 片选用 I R公 司 的 I R 2 3 l 6 该 芯片为 常用的三相逆变桥驱动器集成电路 I R 2 1 3 6的连接图如 图 4所示 图 4 I R 2 3 1 6的连接 图 为提高系统的安全性 采用光耦将电路中的控制信号 和驱动信号隔离 考虑到 I R 2 1 3 6芯片的 H I N 1 2 3和 L I N 1 2 3引脚是反向输入端 口 因此采用低电平驱动的 接法 选取芯片 H C P L 一 0 6 3作为光耦隔离芯片 HC P L 一 0 6 3的连接图如图 5所示 l 6 4 GND 图 5 HC P L 0 6 3的连接 图 4 位置信号检测电路 实验用无刷直流电动机为有位置传感器的直流无刷 电动机 即电动机转子上集成霍尔位置传感器 无刷直流 电动机位置传感器的输 出为 5 V的三路脉冲信号 用于 检测无 刷直 流 电动机 转 子位 置 的变化 M S P 4 3 0 F 1 4 9根 据转子位置信号的变化 输出相应的无刷直流电动机驱动 信号 驱动相应的功率管 以实现对无刷直流电动机转速 和转动方向的控制 通过霍尔位置传感器输出信号的上 升沿触发 MS P 4 3 0相应端 口的中断 从而控制转子位 置和 计算速度 对 于单极对数 的无刷直流 电动机而言 每个 机 械周期产生6个上升沿位置信号 每两个上升沿位置信号 间的时间间隔代表 1 6个机械周期 转子位置传感器信 号输入端电路图如图6所示 图 6 转 子位 置传 感器信号输入端 电路图 在实际捕捉霍尔位置传感器的输出信号时 一些干扰 信号的存在 使得 MS P 4 3 0 F 1 4 9无法准确捕捉相应的上升 沿位置信号 因而需对霍尔位置传感器的输出信号进行相 应的滤波 选用阻容滤波电路和7 4 L S 1 4芯片组合的方法 进行滤波 使得霍尔位置传感器的输出信号经过两次反向 后送入 MS P 4 3 0 F 1 4 9芯片的相应捕捉端 口 通过实验证 明 该 滤波方法达到 了良好 的滤波效果 5 定子电流检测 电路 现通过在逆变桥主电路中串采样电阻的方法对无刷 直流电动机定子电流进行检测 对采样电阻两端的电压依 次进行滤波 放大后 送入 MS P 4 3 0 F 1 4 9的 A D采样端 口 从而获得无刷直流电动机定子电流的大小 在采样电路 与 M S P 4 3 0 F 1 4 9引脚之间通过光耦进行隔离 选用 H C N R 2 0 0 该光耦具备线性 度好 速度快 等优 点 无刷 直流 电动机定子电流采样电路如图 7所示 图中采样电阻 R s 0 0 2 Q 位于逆变桥电路的下端与地之间 风 将通过的电 流信号转换成电压信号 h t t p Z Z H D c h i n a j o u rna 1 n e t 2 1 1 E m a il Z Z H D c h a i n a j o u ma 1 n e t c n 机械制造与自 动化 电气与 自动化 王哲蓓 等 无刷直流 电动机调速 系统数 字控制 器设计 与开发 图 7 电流 采样电路 由电路结构可以计算出电流采样电路输 出端 表 达式 v o i x O 1 1 5 1 式 中 i 为直流侧 电流 由于 MS P 4 3 0 F 1 4 9芯 片 A D端 口 采样范围选择 0 V 2 5 V 故可以线性测量电流范围为一 1 5 A l O A 本文实验所用样机额定电流为 2 5 A 故能 够满足所控无刷直流电动机的电流范围要求 为使 电流 信号转换成的电压信号平稳 采用阻容滤波电路 2 数字控制器软件设计 双闭环无刷直流电动机控制系统的软件部分采用模 块化 结构设计 思 想 使 用 I A R E mb e d d e d Wo r k b e n c h开 发 环境进行软件的编写 具有良好的阅读性与移植性 1 主程序流程 图 主程序流程图如图 8 所示 首先是对各模块进行初始 化 在初始化完成后 调用电动机启动模块 使电动机启 动 每隔 1 m s 调用电流采样模块进行电流采样 获得电 流后计算电流环 P I 值 每隔 1 0 ms 计算转速环 P I 值 若 换相正常 则不停机 若换 相不正常则停机 互墨 图 8 主程序流 程图 2 电动机启动程序 当无刷直流电动机运行正常时 电动机转子所处位置 Ma c h in e B u i ld i n g Au t o m a t io n F e b 2 0 1 6 4 5 J 1 6 3 1 6 6 可以根据霍尔位置传感器的输出确定 M S P 4 3 0 F 1 4 9通 过中断捕获霍尔信号传感器的上升沿 从而获得电动机的 转子位置 进而确定逆变桥中相应 MO S F E T的导通顺序 但是当电动机处于停转状态时 霍尔位置信号传感器没有 上升沿信号输出 因而 MS P 4 3 0 F 1 4 9无法通过中断捕捉获 得当前电动机转子的位置 因而无法正常启动电动机 在 电动机从停止状态到正常运行状态的切换过程中 为了使 电动机转子运转 从而让转子位置传感器产生上升沿输 出 设计 了电动机启动 模块 M S P 4 3 0 F 1 4 9通 过保存 电动 机前一次停止 时的转子位置信号 从而使得 电动机能在下 一 次启动时正常换相 3 电动机换相程序 当霍尔信号随电动机旋转一定角度而发生变化时 可 以采用使用捕获单元 C A P 1 3来发送捕获中断 系统检 测 到捕获 中断后 将会根 据 当前 霍 尔信号状 态控制 MO S F E T的导通与关断 电动机正常运行时 转速计数标 志S fi e e d N u m 若 S p e e d N u m 6 说明电动机经过了一个 换相周期 从而也可以通过计算获得电动机转速 M S P 4 3 0 F 1 4 9内部具有定时器 A T I ME R A 通 常将 定时器作为程序设计 的核心部 分 该 内部定时 器 由一个 1 6位定 时器 和多路 比较 捕 获通道组 成 每个 比较 捕获 通道都具有 1 6位定时器的定时功能 并可以进行单独控 制 互补影响 通过在捕获 比较控制寄存器中选择上升 沿捕获模式 并使其中断 使得 MS P 4 3 0 F 1 4 9能够成功的 捕获电动机转子的位置信号 利用 T I ME R A中的捕获 比较寄存器 C C R 0 来计算两个上升沿中断捕获之间的 时间 从而对无刷直流电动机的转速进行计算 4 转速计算程序 采用霍尔位置传感器的信号来计算无刷直流电动机 的转速 MS P 4 3 0 F I 4 9的捕获单元 捕捉 到位置 传感器 的输 出信号后 不仅记录其引 脚上 的跳 变 还记 录电平跳 变发 生的时刻 通过前面位置检测的分析知道 无刷直流电动 机正常工作周期内有 6个