無(wú)刷直流電機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張兵 尹玉鑫

（南陽(yáng)農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系 河南省南陽(yáng)市 473000）

1 無(wú)刷直流電機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

無(wú)刷直流電機(jī)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)主要包括局域網(wǎng)下的主機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和終端三大部分，如圖1所示，硬件系統(tǒng)由PC 機(jī)、路由器、網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器和無(wú)刷直流電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)構(gòu)成，軟件系統(tǒng)主要包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的編寫(xiě)。在局域網(wǎng)下，輸入信號(hào)可通過(guò)多臺(tái)PC 機(jī)發(fā)送給終端的控制器，數(shù)據(jù)在發(fā)送和接受過(guò)程中遵循TCP協(xié)議和RS232 協(xié)議?？刂破鹘邮招盘?hào)計(jì)算出控制量給三相全橋逆變電路，控制量經(jīng)過(guò)逆變電路變?yōu)殡妷盒盘?hào)輸送給無(wú)刷直流電機(jī)，霍爾傳感器實(shí)時(shí)反饋位置信號(hào)，確保電機(jī)正常換相和運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

2 無(wú)刷直流電機(jī)基本結(jié)構(gòu)

2.1 電機(jī)本體

無(wú)刷直流電機(jī)以體積小、維修方便、調(diào)速范圍廣等優(yōu)點(diǎn)被工業(yè)生產(chǎn)、智能家居、汽車(chē)和航空航天領(lǐng)域應(yīng)用[1]。如圖2所示，無(wú)刷直流電機(jī)基本結(jié)構(gòu)主要由電機(jī)本體、直流穩(wěn)壓電源、霍爾位置傳感器和驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成[2]。

電機(jī)本體主要由轉(zhuǎn)子和定子組成，轉(zhuǎn)子為永磁體材料，定子有兩部分：電樞繞組和鐵芯，兩者的物理安裝位置和有刷電機(jī)完全相反[3]。在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，定子繞組通電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與永磁體磁場(chǎng)交鏈，根據(jù)矢量分析法，在轉(zhuǎn)子水平x 方向產(chǎn)生力的作用，使電機(jī)正常運(yùn)行，且在運(yùn)行過(guò)程中兩者磁場(chǎng)方向在空間上保持90°電角度同步旋轉(zhuǎn)，因此無(wú)刷直流電機(jī)也屬于同步電機(jī)，本系統(tǒng)選用無(wú)刷直流電機(jī)額定電壓24V，額定電流4A，額定轉(zhuǎn)速4400r/min，轉(zhuǎn)矩輸出0.20N.m，極對(duì)數(shù)為2。

2.2 霍爾位置傳感器

霍爾位置傳感器屬于光電傳感器的一種，由光柵盤(pán)、投光器、受光器和放大電路組成[4]。根據(jù)轉(zhuǎn)子位置的旋轉(zhuǎn)，它將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，輸入控制器中CAP 模塊，控制器根據(jù)位置信息進(jìn)行換相處理，驅(qū)動(dòng)三項(xiàng)全橋逆變電路橋臂上MOS 管導(dǎo)通，保證電機(jī)正常運(yùn)行。本系統(tǒng)采用的霍爾傳感器為磁敏式，安裝位置在六個(gè)定子繞組中呈120°（電角度）間隔放置。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路主要由三相全橋逆變電路、濾波電路、電源模塊和霍爾信號(hào)處理電路組成。它的作用是實(shí)時(shí)接收控制器中6 路PWM 信號(hào)，決定逆變電路中6 個(gè)MOS 管導(dǎo)通時(shí)間和導(dǎo)通順序，將直流穩(wěn)壓電源逆變?yōu)锳、B、C 三相交流電，輸送給無(wú)刷直流電機(jī)，其余模塊作為輔助電路，為信號(hào)的濾波和芯片工作提供能量[5]。

2.3.1 三相全橋逆變電路

圖1：無(wú)刷直流電機(jī)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

圖2：無(wú)刷直流電機(jī)本體結(jié)構(gòu)

三相全橋逆變電路的設(shè)計(jì)是整個(gè)硬件電路系統(tǒng)的關(guān)鍵，它的基本原理是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電[6]。電路主要架構(gòu)由三個(gè)橋臂組成，每個(gè)橋臂上具有兩個(gè)開(kāi)關(guān)頻率高、驅(qū)動(dòng)功率小的MOS 管。電路運(yùn)行過(guò)程中，每個(gè)時(shí)刻只能有兩個(gè)MOS 管導(dǎo)通，且同一橋臂兩個(gè)管子不能同時(shí)導(dǎo)通，造成短路現(xiàn)象。本系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)芯片為IR2136，MOS 管采用IRF3205，其漏極電流最高可達(dá)110A，漏極源極電壓可達(dá)60V，符合電機(jī)運(yùn)行性能要求?？紤]多路電源對(duì)芯片供電易產(chǎn)生信號(hào)干擾，因此采用自舉電路使六個(gè)MOSFET 共用一片IR2136，如圖3所示三相全橋逆變電路。

圖4：自舉電路

圖5：隔離電路

圖6：相電流采集電路

圖7：電源電路

2.3.2 自舉電路

自舉電路是一種使用廣泛，給高壓柵極驅(qū)動(dòng)集成電路(IC)的高端柵極驅(qū)動(dòng)電路供電的方法，具有簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)、功耗低、電路穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)[7]。

圖8：無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)板

圖9：無(wú)刷直流電機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖10：電機(jī)轉(zhuǎn)速-時(shí)間響應(yīng)

在三相全橋逆變電路中，每個(gè)橋臂上、下各有一個(gè)MOS 管（IRF3205），該芯片門(mén)極開(kāi)啟電壓為2-4V。如圖4所示自舉電路，其中主要元器件為自舉電容和自舉二極管，其工作原理：在某一時(shí)刻，驅(qū)動(dòng)芯片IR2136 第15 管腳LO2 輸出高電平時(shí)，Q6 管導(dǎo)通，自舉電容C8 充電，下橋臂導(dǎo)通；下一時(shí)刻，當(dāng)IR2136 輸出HO2為高電平時(shí)，自舉電路通過(guò)R18、Q3 管的源極和柵極之間構(gòu)成回路放電，此時(shí)自舉電容C8 相當(dāng)于一個(gè)電壓源，使Q3 管達(dá)到開(kāi)啟狀態(tài)，則上橋臂導(dǎo)通，二極管是防止反向電流沖擊燒壞芯片，起保護(hù)電路作用。

2.3.3 光耦隔離電路

如圖5所示，光耦隔離電路基本單元是三極管和發(fā)光二極管，利用電-光-電物理轉(zhuǎn)換方式實(shí)現(xiàn)電氣信號(hào)隔離，本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)光耦電路主要用于DSP28335 輸出的6 路PWM 信號(hào)的電氣隔離，實(shí)現(xiàn)電路兩端信號(hào)互不干擾，特殊電路中需增加上拉電阻，提高電流驅(qū)動(dòng)能力[8]。

本系統(tǒng)光耦隔離電路選用HCPL-2631芯片，根據(jù)芯片手冊(cè)可知，該芯片為低電平驅(qū)動(dòng)，電源電壓為5V，處理速度可達(dá)10MBd，因此此芯片性能符合無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路隔離要求。其中R9 作為限流電阻，防止電流過(guò)大，避免出現(xiàn)尖峰脈沖噪聲。

2.3.4 信號(hào)采集電路

相電流和反電動(dòng)勢(shì)波形信號(hào)是反映無(wú)刷直流電機(jī)控制效果的重要指標(biāo)，考慮本系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，采用采樣電阻法進(jìn)行信號(hào)采集[9]。在逆變電路中，選擇三個(gè)額定功率5W、阻值0.05Ω 的采樣電阻放置在待測(cè)電路中，分別串聯(lián)在下橋臂電路，電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，由DSP28335ADC 單元實(shí)時(shí)獲取采樣電阻兩端的電壓值，由于電阻值較小，因此根據(jù)歐姆定律可得電壓值約為電流值。如圖6所示。

考慮ADC 采樣電壓范圍（0-3.3V）,經(jīng)過(guò)計(jì)算，采樣電流值太小無(wú)法供DSP 準(zhǔn)確采樣，因此需要增加放大電路對(duì)信號(hào)放大，調(diào)整為控制器支持的電壓范圍內(nèi)。

本系統(tǒng)選用LM358 作為放大器芯片，帶寬達(dá)到1MHZ，工作電源3-30V，共模輸入和低功耗電流，電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、放大之后，供控制器實(shí)時(shí)采集。

2.3.5 電源電路

在驅(qū)動(dòng)電路工作過(guò)程中，各芯片都需不同的工作電源，涉及多種電源電路通常有電流和通信等信號(hào)干擾，可能造成系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)甚至燒壞芯片[10]。

根據(jù)本系統(tǒng)中無(wú)刷直流電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)，主電源選擇一種額定電流10A，額定電壓24V 的直流穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)電源。本系統(tǒng)中共有6 種不同的電源信號(hào)，其中4 種通過(guò)電源芯片電路設(shè)計(jì)產(chǎn)生，2 種為外部（DSP28335）提供。如圖7所示。

分別采用電源芯片A0515S、B0505S 及升壓電路產(chǎn)生15V 模擬電壓、1.65V 模擬電壓、15V 和5V 數(shù)字電壓信號(hào)，外部電源和DSP 控制器提供24V、3.3V 電壓信號(hào)，其中部分電源電路如圖所示，在電源正極與GND 之間并聯(lián)電容，作用是濾除電壓諧波信號(hào)[11]。

2.3.6 PCB 板設(shè)計(jì)規(guī)則

根據(jù)上述電路原理設(shè)計(jì)，在Altium Designer 13 軟件環(huán)境下繪制PCB 板。首先繪制電路原理圖，在元件庫(kù)中找出需要用到的芯片，區(qū)別直插式和貼片式，按要求進(jìn)行選用并連線。如在元件庫(kù)中無(wú)法找到此芯片，則需設(shè)計(jì)者參考芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)自行封裝，芯片封裝嚴(yán)格按照管腳尺寸、距離、寬度等數(shù)據(jù)進(jìn)行，確保能正常發(fā)揮作用。電路原理圖設(shè)計(jì)完成，需進(jìn)行PCB 板繪制。PCB 板的設(shè)計(jì)和工藝質(zhì)量不僅會(huì)影響驅(qū)動(dòng)電路的安全性和穩(wěn)定性，還關(guān)系到無(wú)刷直流電機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)產(chǎn)品的實(shí)用價(jià)值，因此在制作電路板過(guò)程中充分考慮以下問(wèn)題[12]：

（1）電路中各電源、信號(hào)源之間的電磁和諧波干擾；

（2）PWM 高頻（20KHz）切換引起的諧波干擾；

（3）電路中模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)共地問(wèn)題；

因此，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)板設(shè)計(jì)印制時(shí)，不僅要有符合系統(tǒng)要求的電氣原理和各項(xiàng)性能指標(biāo)，還應(yīng)充分保證電路板的隔離性能和抗干擾性。為降低噪聲干擾，在硬件電路的設(shè)計(jì)和制作過(guò)程中，采取以下措施：

圖11：電機(jī)相電流信號(hào)

圖12：電機(jī)PWM 控制信號(hào)

（1）布線遵循規(guī)則。各元件之間連線應(yīng)遵循“橫平豎直”的原則，走線方向盡量選擇180°水平或豎直走向，也可選擇45°走角，避免出現(xiàn)銳角和直角走向[13]。

（2）合理安排布局。元器件盡量選用貼片式，主控芯片DSP28335 放置電路中心，方便信號(hào)輸出和其他芯片之間的通信，有效節(jié)省電路板空間。

（3）抑制外部噪聲。本系統(tǒng)各種設(shè)計(jì)光耦隔離電路和采用四層板架構(gòu)，將模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)、電源信號(hào)和GND 進(jìn)行電氣隔離，減小信號(hào)間干擾，還可通過(guò)加磁珠和屏蔽磁環(huán)等手段隔離[14]。

無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)板如圖8所示。

3 無(wú)刷直流電機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制

3.1 協(xié)議轉(zhuǎn)換器

RS232 轉(zhuǎn)Wi-Fi 盒是一款Wi-Fi 串口服務(wù)器，該串口服務(wù)器可以方便地使串口設(shè)備連接到局域網(wǎng)下Wi-Fi 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)串口設(shè)備的無(wú)線化網(wǎng)絡(luò)升級(jí)[15]。在使用過(guò)程中，局域網(wǎng)下各PC 機(jī)需安裝虛擬串口軟件，服務(wù)器就可直接通過(guò)RS232 協(xié)議轉(zhuǎn)為Wi-Fi 協(xié)議進(jìn)行信息交互，此功能主要用于無(wú)刷直流電機(jī)控制指令的下發(fā)和反饋信號(hào)的上傳。

3.2 無(wú)刷直流電機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

根據(jù)上述電路硬件和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)，搭建無(wú)刷直流電機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，如圖9所示，設(shè)置局域網(wǎng)和PC 機(jī)各項(xiàng)配置參數(shù)，并對(duì)系統(tǒng)電路和控制器性能進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的有效性和優(yōu)越性。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在無(wú)刷直流電機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制平臺(tái)上，將開(kāi)環(huán)程序通過(guò)仿真器下載到DSP28335 芯片中，進(jìn)行開(kāi)環(huán)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)示波器、電流鉗和CCS6.0 開(kāi)發(fā)環(huán)境等測(cè)試儀器完成對(duì)系統(tǒng)各輸出信號(hào)的采集，圖10、圖11和圖12分別是電機(jī)在轉(zhuǎn)速為運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速信號(hào)、A 相電流信號(hào)和PWM 控制信號(hào)波形圖。

5 結(jié)論

本文主要研究無(wú)刷直流電機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，主要從電機(jī)構(gòu)造、驅(qū)動(dòng)電路板制作和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架三個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，最后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)效果證明：驅(qū)動(dòng)電路板設(shè)計(jì)合理、實(shí)用性強(qiáng)，完全符合系統(tǒng)選用電機(jī)的各項(xiàng)性能要求，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和電機(jī)控制效果具有響應(yīng)時(shí)間快、魯棒性強(qiáng)和抗干擾能力好等優(yōu)點(diǎn)。