基于ARM的全數字雙閉環無刷DC電機控制系統設計

傳統的DC電機具有運行效率高、調速性能好等優點，在工業傳動中占有重要地位。但其固有的機械換向器和電刷導致其容量有限、噪音大、易火花、可靠性差的缺點。隨著計算機技術和微電子技術的發展，無刷DC電機的電刷和機械換向器被位置傳感器和電子換向器所取代，而傳統DC電機的優點得到很好的保持，運行效率高于有刷DC電機。因此，無刷DC電機一誕生就被廣泛應用于工業生產中。特別是在節能減排成為時代主題的今天，無刷DC電機的高效率顯示出其巨大的應用價值。

　　1 全數字雙閉環直流調速系統簡介

在穩態下，DC電機的轉速只能通過單閉環速度PI來調節，速度沒有靜態差異，即輸出完全跟隨輸入。然而，當控制系統對動態性能要求較高，如啟動制動快、抗干擾能力強時，單閉環系統中電機電流和轉矩的動態過程不能得到及時有效的控制，因此需要在控制系統中設置一個電流調節回路來調節電流。因此，控制系統中有兩個調節環，即轉速調節環和電流調節環，兩個調節環嵌套連接。圖1和圖2分別是模擬控制和全數字控制下的雙閉環控制系統和雙閉環DC調速系統的結構框圖。

　2 控制系統整體構成

全數字雙閉環無刷DC電機控制系統主要由ARM嵌入式處理器、LCD觸摸屏、光電耦合電路、驅動電路、逆變電路、電流檢測電路、無刷DC電機位置信號檢測環節和控制電路組成。

本設計中的ARM處理器為Atmel公司ARM9系列的32位is at91sam9261s。采用5級整數流水線，主頻可達300兆赫。支持Windows CE、Linux、Palm OS等多種主流嵌入式操作系統。它廣泛應用于需要高速數字信號處理的工業控制、測試設備和儀器中。

無刷DC電機控制系統的總體框圖如圖3所示。當系統處于運行狀態時，速度信號由電阻給出，運行指令(如啟動、正轉、剎車)通過觸摸屏實時顯示和P、I參數設置發出。根據霍爾傳感器檢測到的電機位置信號，計算電機的轉速來改變控制器的輸出信號，從而調節電機的運行狀態。電流檢測主要是實現速度電流雙閉環控制和過流保護。采樣后，從外部檢測的電流信號被放大和濾波，并被發送到A/D轉換器進行模數轉換?？刂茊卧鶕z測到的電流調節電流調節器的輸出。當發生過流故障時，電流檢測電路會發出故障指示信號，并發送給ARM處理器進行處理。

　　3 硬件各模塊設計

3.1光耦合器隔離電路

控制信號通常是10 ~ 20 kHz左右的PWM波。為了減少電磁干擾對ARM處理器的影響，需要使用高速光耦進行隔離、整形和電平轉換。本設計采用6N137光耦，開關時間為75 ns。光耦合器的隔離電路如圖4所示。

3.2逆變器電路

功率逆變電路采用三相星形全橋逆變電路，如圖5所示。一個三相逆變橋由六個IRF530N MOOSFET組成，其中每個MOSFET功率管的兩端與一個二極管反并聯，用于續流和緩沖。低端三個MOSFET管并聯，然后串聯一個小電阻Rs進行電流采樣。

　　3.3 位置及速度檢測

　　本設計中直流無刷電機位置信號的檢測采用霍爾位置傳感器，即無刷直流電動機自帶的位置傳感器，其輸出側通常采用漏極開路，所以必須在它的輸出上接上相應的上拉電阻。

　　根據式1計算出兩次換相間隔期間的平均角速度，然后在軟件程序中換算成r/min，或直接根據△t計算出多少r/min。

　　△t一般較小，可以通過采樣對PWM波計數的方式來確定△t。

　　3.4 電流檢測與保護電路

　　電流檢測與保護電路如圖6所示。IR2130帶有電流電流放大器和過流輸入保護環節，可以對電流采集信號進行放大。當過電流發生時，送到過電流檢測引腳的電壓高于0.5 V，此時R2130內部的過電流比較器迅速翻轉，邏輯故障處理單元輸出低電平，六路輸入信號被鎖存，基于ARM的全數字雙閉環無刷直流電動機控制系統設計管腳輸出故障指示，故障時輸出為低電平，六路輸出驅動信號全為低電平，功率管進入全關斷狀態，使器件得到保護。欠壓保護的工作過程與過流保護的工作過程類似。

　　4 控制系統軟件設計

　　電機換相控制程序砑有2種設計方法，電機轉速不高和電機轉速較高。當電機轉速不高時，換相周期較長，PWM周期遠高于電機換相周期，這樣可在每一個PWM周期對霍爾信號輸入進行查詢，判斷是否需要換相，并設定一個計數器記錄兩次換相期間的PWM周期數用于計算轉速。當電機轉速較高時，兩次換相期間相隔PWM周期數不多，查詢換相的方法會導致換相不及時且影響轉速計算精度，需通過中斷的方法進行換相，在需要速度調節時直接通過中斷接口函數讀取速度值。在應用程序中加入中斷響應事件消息響應函數，若中斷發生，則進入中斷子程序并設置相應故障參數?？刂葡到y主程序流程圖如圖7所示。

　　5 結束語

　　無刷直流電動機用位置傳感器和電子換相器取代了電刷和機械換向器，有效降低了噪音，避免了火花的產生，提高了控制系統可靠性。本設計對全數字雙閉環無刷直流電動機的控制系統的軟、硬件都做了詳細介紹，以ARM為主處理器使得整個系統的運行效率更高、性能更穩定。實驗室模擬結果表明，該系統具有較好的控制可靠性、良好的動態性能及系統穩定性。