基于嵌入式的無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

鄭清蘭，陳小勇，陳冬冬

(閩南理工學(xué)院 實(shí)踐教學(xué)中心，福建 石獅 362700)

無刷直流電機(jī)是一種多用途電機(jī)，可做為伺服電機(jī)或直流電機(jī)來使用，廣泛應(yīng)用在自動化儀器、醫(yī)療器械、航天科技、機(jī)床等設(shè)備上，其整體結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)簡便。電機(jī)采用換相將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，具有較好的啟動和調(diào)速性能，運(yùn)行過程穩(wěn)定且轉(zhuǎn)速高，其常用的調(diào)速控制方式有電樞串電阻調(diào)速、變磁通調(diào)速和調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速[1]。串電阻調(diào)速只能實(shí)現(xiàn)有級調(diào)速不能實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，變磁通雖然能達(dá)到平滑調(diào)速但是所調(diào)的范圍較小，一般只能配合調(diào)壓方案在電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速上做小范圍的弱磁提升，因此在實(shí)際運(yùn)行應(yīng)用中常常通過調(diào)節(jié)電樞電壓的方式來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的控制。隨著嵌入式DSP的發(fā)展，無刷直流電機(jī)的控制逐漸采用DSP系列芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字化智能控制。本文從無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)、原理及數(shù)學(xué)模型進(jìn)行闡述和研究，最終實(shí)現(xiàn)基于嵌入式芯片TMS320F28335的無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，并研究和設(shè)計電路的硬件電路和軟件系統(tǒng)，分析各個電路的作用，最后選用92BL-2015H1-LK-B型電機(jī)，在CCS3.3開發(fā)環(huán)境下編寫程序并運(yùn)行，完成整個系統(tǒng)的測試。

1 無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理和模型

1.1 無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)

無刷直流電機(jī)主要有位置傳感器，電子開關(guān)線路、電動機(jī)三大部件構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，電動機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子一般為多相，用于實(shí)現(xiàn)運(yùn)動過程中的能量轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)子由永磁體構(gòu)成，與定子繞組一起旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場使電機(jī)連續(xù)轉(zhuǎn)動；位置傳感器跟隨轉(zhuǎn)子的極對數(shù)，并檢測出磁極位置變化的邏輯信號，控制電子開關(guān)線路功率管的開通和斷開，進(jìn)而控制繞組的換相動作[2]；電子開關(guān)線路由邏輯開關(guān)和霍爾位置傳感器模塊構(gòu)成，用于電源功率分配的管理及轉(zhuǎn)子位置信息的檢測。

圖1 電機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Motor structure drawing

1.2 無刷直流電機(jī)的工作原理

無刷直流電機(jī)的主體結(jié)構(gòu)是電動機(jī)，其繞組可接成星形或三角形，在實(shí)際應(yīng)用中繞組都采用對稱星形接法。電動機(jī)轉(zhuǎn)動的根本是旋轉(zhuǎn)磁場的作用，因此當(dāng)一定量的電流流過電樞任意兩相繞組時，在電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，使定子和轉(zhuǎn)子的相對位置發(fā)生變化，當(dāng)按照一定的順序使不同的兩相繞組輪流導(dǎo)電時，則電機(jī)內(nèi)部磁場旋轉(zhuǎn)，使電動機(jī)轉(zhuǎn)動，若改變通入電動機(jī)電源的相序，則電動機(jī)轉(zhuǎn)動方向就會變化[3]。無刷直流電機(jī)裝有位置傳感器用來判定轉(zhuǎn)子的極性，機(jī)內(nèi)的驅(qū)動器用來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動和停止等，并根據(jù)位置傳感器傳入的信號，控制機(jī)內(nèi)功率管的通和斷，產(chǎn)生轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)矩。

1.3 無刷直流電機(jī)的模型

在分析數(shù)學(xué)模型中假設(shè)電機(jī)處于理想狀態(tài)下，三相繞組對稱且按120°接成星形聯(lián)接方式，假設(shè)電樞繞組均勻地分布在外面，忽略磁滯、渦流等帶來的損耗。

1.3.1 電壓方程

通過對直流無刷電機(jī)的工作原理分析可推導(dǎo)出電機(jī)在任意時刻的平衡方程為

(1)

式中：Ri是定子繞組的電阻;L是定子繞組的等效自感;E是定子繞阻產(chǎn)生的電動勢。由于電機(jī)采用星型接法，且三相繞組對稱，所以三相電流根據(jù)基爾霍夫定律可得

iA(t)+iB(t)+iC(t)=0 ,

(2)

可推導(dǎo)出電機(jī)的等效電路圖如圖2所示。

圖2 等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit diagram

1.3.2 無刷直流電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩方程

當(dāng)無刷電機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)時，假定忽略功率轉(zhuǎn)換時的鐵損和銅損，則電機(jī)的功率為

Pe=eAiA(t)+eBiB(t)+eCiC(t),

(3)

則電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為

(4)

式中：wm為電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度；eA,eB,eC為三相定子繞組反電動勢。

1.3.3 無刷直流電機(jī)的調(diào)速方法

設(shè)電機(jī)定子繞組兩端的電壓為Ud，忽略電樞繞組的電感不計，則可得出電機(jī)的轉(zhuǎn)速n的表達(dá)式為

(5)

從式(5)可知，改變電樞回路的電阻R、繞組兩端的電壓Ud、電路中的電流Id都可以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n。當(dāng)電機(jī)處于理想空載運(yùn)行時，Es與繞組兩端的電壓Ud近似相等，可推出n=Ud/CEΦ?？梢娬{(diào)節(jié)Ud就可以改變轉(zhuǎn)速，即通過調(diào)節(jié)開關(guān)PWM信號的占空比來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速[4]。

2 無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制方案

調(diào)速系統(tǒng)的控制方案一般分為開環(huán)和閉環(huán)兩種。開環(huán)系統(tǒng)不具有反饋回路，電路相對簡單，但無法消除干擾，電路輸出不穩(wěn)定。而閉環(huán)中的單閉環(huán)控制系統(tǒng)只有速度環(huán)沒有電流環(huán)，控制的根本是將給定的速度與實(shí)際反饋的速度比較，根據(jù)比較的差值進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有一定的調(diào)速功能，但是在電動機(jī)轉(zhuǎn)動過程中如果負(fù)載突然出現(xiàn)較大的波動，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也會隨著出現(xiàn)較大的波動，如果沒有一定的應(yīng)對措施，容易造成電機(jī)的損害，因此在大多數(shù)調(diào)速系統(tǒng)中都采用雙閉環(huán)PWM控制結(jié)構(gòu)，由速度環(huán)和電流環(huán)組成，其中速度環(huán)用于跟蹤給定的速度變化，電流環(huán)用來保證電機(jī)獲得最大的啟動電流，使系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)過程變快。即在電機(jī)的啟動過程中電流轉(zhuǎn)距允許最大值，使電機(jī)一開始以最大的速度運(yùn)行，等到運(yùn)行穩(wěn)定后電流再慢慢地降下來，電機(jī)進(jìn)入額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，加入電流環(huán)后可以很好地解決由于負(fù)載突變而引起的電機(jī)轉(zhuǎn)速波動情況，達(dá)到轉(zhuǎn)速可調(diào)且保護(hù)電機(jī)的目的，其控制原理如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)控制原理圖Fig.3 Schematic diagram of the overall system control

2.2 電機(jī)的PWM調(diào)速原理

采用調(diào)節(jié)電樞電壓的方式實(shí)現(xiàn)調(diào)速目的，一般電機(jī)調(diào)速采用脈寬調(diào)制即PWM，在具體控制時電流在特定頻率下以方波形式作為輸入，通過采用計數(shù)器調(diào)節(jié)信號占空比實(shí)現(xiàn)模擬信號的高、低電平調(diào)節(jié)。該調(diào)速系統(tǒng)中的嵌入式芯片TMS320F28335由I/O口收集電機(jī)上霍爾器件的脈沖信號[5]，由編碼器接口電路測試電機(jī)的轉(zhuǎn)速，最后通過調(diào)節(jié)PWM的占空比實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化。

2.3 電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)算法

電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是多變量、非線性的控制系統(tǒng)，設(shè)計采用位置式PID控制算法以達(dá)到調(diào)速系統(tǒng)性能穩(wěn)定。PID控制為線性控制，由比例、積分和微分3個參數(shù)構(gòu)成控制量，控制輸出的被控對象[6]，其表達(dá)式為

(6)

式中Kp,τi,τd分別為比例,積分和微分的系數(shù)。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

根據(jù)無刷直流電機(jī)調(diào)速控制要求，分析其控制方案，采用速度環(huán)和電流環(huán)組合的雙閉環(huán)控制并通過PID實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速，設(shè)計系統(tǒng)硬件電路框圖如圖4所示，主要包括DSP主控芯片TMS320F28335、速度檢測、PWM信號控制輸出、電流檢測、位置檢測等。其中電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速通過位置檢測電路與給定的參考轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較確定。電流檢測電路采樣輸出的電流再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后送給DSP，最后計算反饋和參考的電流偏差控制PWM的占空比。

圖4 系統(tǒng)硬件電路框圖Fig.4 System hardware circuit block diagram

3.1 主控DSP芯片

系統(tǒng)控制核心是微處理器，通過PWM脈沖信號為上位機(jī)輸出電機(jī)的轉(zhuǎn)速等參數(shù)，采集無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的位置信息、轉(zhuǎn)動過程的電流變化信號，最終實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制。

數(shù)字信號處理器即DSP的快速發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于控制領(lǐng)域，用來取代傳統(tǒng)的模擬信號控制。DSP擁有較快的數(shù)據(jù)處理能力、芯片體積小功能強(qiáng)、運(yùn)行數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠且具有較強(qiáng)的抗干擾能力。其所具有的特點(diǎn)在電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中非常實(shí)用，目前以TI公司所生產(chǎn)的DSP芯片應(yīng)用較為廣泛。該系統(tǒng)所使用芯片具有32位中央核心處理器，能夠快速處理各式各樣復(fù)雜算法，采用總線結(jié)構(gòu)，具有EVA和EVB兩個事件管理器，且兩個管理器中都有比較單元、定時器、補(bǔ)獲單元和編碼脈沖電路等，每個比較單元都可以產(chǎn)生兩路互補(bǔ)的PWM信號[7]。編碼電路用于統(tǒng)計外部輸入的脈沖個數(shù)，與光電編碼器共同作用得出位置和轉(zhuǎn)速等信息，因此可用來測量無刷直流電機(jī)的位置和速度。

3.2 電流檢測

系統(tǒng)采用電流傳感器，其主要作用是先將電機(jī)中取得的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，轉(zhuǎn)換后的信號通過由運(yùn)放構(gòu)成的電壓跟隨器輸出，送至主控DSP芯片的模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC輸入通道，最后轉(zhuǎn)換為可識別的數(shù)字量。再由DSP對轉(zhuǎn)換后的信號進(jìn)行采樣和運(yùn)算，得出給定的參考電流和反饋電流的差值，最后經(jīng)由調(diào)節(jié)器的運(yùn)算實(shí)現(xiàn)PWM占空比的調(diào)節(jié)，具體電路如圖5所示，電流檢測電路使用電流互感器將大電流轉(zhuǎn)換成小電流，并通過運(yùn)算放大器放大后送至DSP的ADC。

圖5 電流檢測電路Fig.5 Current detection circuit

3.3 轉(zhuǎn)速檢測

對電機(jī)轉(zhuǎn)速的測試采用光電式編碼器，進(jìn)行速度采樣和運(yùn)算，求出給定轉(zhuǎn)速和實(shí)際反饋轉(zhuǎn)速之間誤差，由雙閉環(huán)電路中的速度調(diào)節(jié)器運(yùn)算后對電流環(huán)給定進(jìn)行調(diào)節(jié)。電機(jī)在運(yùn)行時，設(shè)定PWM測量一次轉(zhuǎn)矩要經(jīng)過20個脈沖，即DSP每隔1 ms讀一次定時器的計數(shù)值并與前一次所讀的值相減，計算出計數(shù)增量ΔC，則電機(jī)轉(zhuǎn)速的計算公式為

n=ΔC/(4×500)/0.001×60=30ΔC，

(7)

可見光電式編碼器每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)和速度采樣周期決定了所測量轉(zhuǎn)速的精度[8]。

3.4 位置檢測

電機(jī)轉(zhuǎn)動時轉(zhuǎn)子的位置檢測采用霍爾傳感器，傳感器的輸出線共有五根，一根電源線一根地線，另外三根輸出線為轉(zhuǎn)子位置脈沖信號線。電機(jī)運(yùn)行時DSP捕獲單元對傳感器輸出的三路脈沖信號進(jìn)行判斷，從而得到轉(zhuǎn)子的位置信號。無刷直流電機(jī)上設(shè)有三個霍爾傳感器，每個傳感器輸出的三路信號相位差是120°，脈沖寬度是180°，與各繞組對應(yīng)的電流如圖6所示。

圖6 傳感器輸出與繞組對應(yīng)電流Fig.6 The sensor output and the corresponding current of the winding

4 系統(tǒng)軟件流程設(shè)計

系統(tǒng)的軟件開發(fā)及編譯環(huán)境選用CCS3.3，這是TI公司推出的集編譯、鏈接和仿真調(diào)試為一體的開發(fā)環(huán)鏡。其操作界面簡潔，用于DSP程序的編寫采用主程序與子程序相結(jié)合的方式，便于后期程序的開發(fā)和移植，編寫語言采用C語言或匯編語言均可，程序調(diào)試過程中可設(shè)置斷點(diǎn)，逐條執(zhí)行或循環(huán)執(zhí)行，提高了調(diào)試效率。該系統(tǒng)的主程序流程如圖7所示，主程序的作用是實(shí)現(xiàn)每個子程序的初始化，主要包含中斷子程序、PWM調(diào)節(jié)、捕獲單元、PID參數(shù)等模塊的初始化，在中斷子程序中通過霍爾信號檢測判斷出PWM輸出的相序，速度檢測電路對電機(jī)速度進(jìn)行采樣和運(yùn)算，電流檢測模塊對電路電流進(jìn)行采樣和計算，再經(jīng)由PID電路的3個參數(shù)進(jìn)行實(shí)時調(diào)節(jié)，最后調(diào)節(jié)PWM占空比穩(wěn)定電機(jī)調(diào)速。

圖7 主程序流程圖Fig.7 Main program flow chart

4.1 捕獲單元子程序

無刷直流電機(jī)運(yùn)行后，DSP能識別出霍爾傳感器輸出的電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信號，啟動中斷控制子程序。子程序把3個捕獲單元設(shè)置為通用的I/O口，用來檢測霍爾傳感器的中斷請求并輸出轉(zhuǎn)子的位置脈沖信息[9]，最終控制PWM占空比實(shí)現(xiàn)繞組的換相后退出中斷子程序返回到主程序。

4.2 速度調(diào)節(jié)子程序

速度調(diào)節(jié)子程序的設(shè)計思路是采集給定速度與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值，利用PID進(jìn)行速度的自動調(diào)節(jié)，直到與給定的一致為止。此系統(tǒng)電機(jī)的速度檢測主要使用光電式編碼器進(jìn)行測速，主要過程是將光電編碼器輸出的兩路正交信號A和B，經(jīng)過光電隔離后送至DSP并進(jìn)行4倍頻的處理，再用M/T測速法求得電機(jī)轉(zhuǎn)速[10]，以得到準(zhǔn)確的速度反饋并傳給系統(tǒng)，利用程序算出當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度，再與給定的已知速度比較，根據(jù)算出的偏差值進(jìn)行調(diào)節(jié)。

5 系統(tǒng)測試結(jié)果分析

根據(jù)系統(tǒng)軟件和硬件的設(shè)計，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，實(shí)驗(yàn)過程選用92BL-2015H1-LK-B型無刷直流電機(jī)，其功率是 200 W，極對數(shù)為5，實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果如圖8所示，將轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 600 r/min時，系統(tǒng)的調(diào)速方法比傳統(tǒng)的啟動更快，運(yùn)行更平穩(wěn)，超調(diào)量也更小。

圖8 速度響應(yīng)曲線測試波形圖Fig.8 Test waveform of speed response curve

該系統(tǒng)仿真測試使用Matlab 中的Simulink進(jìn)行測試，其測試波形如圖9所示，從兩個圖中可以看出，實(shí)際的調(diào)速性能比仿真時差些，但以電機(jī)的實(shí)際性能看，速度響應(yīng)過程已達(dá)到預(yù)期的調(diào)速要求，電機(jī)無論是高速還是低速運(yùn)行，其速度啟動都很快，波動較小，運(yùn)行較平穩(wěn)，該系統(tǒng)所用的無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍從0到1 600 r/min，在調(diào)試過程中如果出現(xiàn)電機(jī)的反饋速度波動偏大可通過改變雙閉環(huán)的P、I和D 3個參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，能實(shí)現(xiàn)較好的調(diào)速性能。

(a)改進(jìn)控制進(jìn)度 (b)傳統(tǒng)控制速度

6 結(jié)束語

本文闡述了無刷直流電機(jī)的工作原理，分析了不同電機(jī)調(diào)速方法的優(yōu)缺點(diǎn)，采用調(diào)節(jié)電樞電壓的方法實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的調(diào)速?；谇度胧叫酒琓MS320F28335的無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，以DSP芯片為核心，采用電流環(huán)和速度環(huán)構(gòu)成的雙閉環(huán)脈寬調(diào)制PWM調(diào)速控制，應(yīng)用PID算法，按照調(diào)速要求設(shè)計系統(tǒng)的硬件電路和軟件流程，測試表明該系統(tǒng)速度響應(yīng)快且不存在超調(diào)現(xiàn)象，能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)調(diào)速性能的穩(wěn)定與可靠，達(dá)到預(yù)期的調(diào)速效果。