赵成刚，李菲，吴耀春
(安阳工学院机械工程系)
摘要：以A3936芯片作为电机控制器，实现了无刷直流电机电流与速度的双闭环控制系统方案。由于A3936是功率DMOs器件栅极驱动型集成电路，因此在硬件上简化电路设计，软件上采用了双闭环控制，提高了系统的可靠性；此外还具有欠压、过流保护功能，日成本低，实用价值高．
关键词：无刷直流电机；驱动电路；双闭环
中图分类号：TM36+1 文献标志码：A 文章编号：1001—6848（2010）08一0090—03
0 引 言
无刷直流电机(BLDcM)具有高速度、高效率、高动态响应和高可靠性等优点，同时其噪声低，寿命长且成本低，因此得到了广泛应用。目前它已广泛应用于航模、医疗仪器、材料处理、机床工业、纺织工业和轻工业等各种领域。BLDcM通常由三相六开关PwM电路控制：随着自动化技术的发展，实际应用领域对BLDcM控制系统也提出了一些特殊的要求，体积小、重量轻已成为现代电机控制研究中的一个热点。这就要求设计者在设汁控制电路时，在保证电机控制的可靠性的前提下必须使用较少的元器件和较简单的电路{1}。本文介绍一种以无刷直流电机专用驱动芯片A3936与AvR单片机为核心的电机控制系统，A3936专用驱动芯片的使用使控制电路变得简单，整个系统结构紧凑。
1系统的硬件设计
系统的硬件结构如框图1所示，选择了Atma—gaj8单片机作为整个系统的控制核心，速度转换模块形成速度闭环，电流转换模块形成电流闭环，而有关电机的所有控制功能全部交给号用驱动芯片A3936来完成：{2}。单片机主要接收上位Pc机对电机的控制参数，检测电机速度控制脉冲信号，按照速度闭环和电流闭环的控制算法产生PwM速度控制信号，输出给A3936电机控制器，以控制驱动电机的速度。A3936电机控制器，完成电机的全部控制，内部欠压锁定(uvL0)及过热关机电路，可以实现对控制电机的保护。
1.1A3936驱动控制电路设计
A3936是为三相无传感器无刷直流电机驱动而设计的专用控制芯片，具有控制星形或三角形连接的无刷直流电机所需要的全部功能”。。。主要功能包括：电机启动、电机正反转向控制、PwM速度控制、制动控制和交叉电流保护等功能。A3936电机驱动控制电路如图2。
电机启动：驱动电路工作时，A3936可根据霍尔传感器检测到电机转子的当前位置，依照定子绕组决定开启或关闭内部功率晶体管的顺序，使电流依序流经电机线绕组，以产生顺向或逆向旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，使电机顺时针或逆时针转动，转动方向的控制由DIR引脚，置高正向转动，置低反向转动。
电机的PwM调速：电机驱动所需要的PwM信号由单片机控制，经ENABLE引脚流入，TAcH引脚对应电机内部的霍尔元件，当电机转动时有脉冲信号输出，单片机的定时计数器采集该脉冲信号，便进入了PwM模式的闭环运行状态，在本系统中，ENABLE、TAcH分别与单片机的PBl口、PD5口相连。电机加速时，T／c1采集到的脉冲信号的频率经过换算后与产生PwM信号的频率差值增大，增加ENABLE引脚的PwM脉宽，电机加速，同时T/c1采集脉冲的频率逐渐接近PwM信号的频率，当两频率相等时电机平稳运行。电机减速过程相反。PwM的频率只要不超过50 kHz，都能满足，本设计中选择5 kHz。
电机制动：电机的急停对电机及负载都会造成损害。A3936内部集成固定关断时间的电流控制电路来实现电机制动功能，可配置为混合、快速及慢速三种电流衰减模式，以不同的衰减速度达到电机制动。BRAKE引脚置高，PFD2、PFDl引脚分别取11，快衰减紧急制动；10，以48％的速率衰减制动；叭，以15％的速率衰减制动；oo，慢衰减制动。在本系统中，选择PFD2PFDl为Ol，以15％的速率衰减制动。
电机的保护：当电机负载过大时会发生堵转，导致电机或驱动电路的烧毁。在A3936中集成有一个比较放大电路，驱动电流经过该电路可以与REF引脚设定的预置电压，进行比较，超过设定值驱动控制电路自动断电，从而起到保护作用。在本设计中预置电压设定为1．5 v。
1.2电流检测电路设计
为了检测到准确的相电流反馈值，用一个O．05Ω无感精密电阻(见图2中的R1)作为一个电流传感器，将其安放在母线回路上。采样电阻将电流信号转换为电压信号，电压信号经运算放大电路进行放大送到单片机的A／D转换器。
2系统的控制策略与软件设计
2．1系统控制策略
由无刷直流电机的数学模型可知，其转速与电压成正比，转矩与相电流成正比。为了达到控制精度和动态性能，本系统选用转速、电流双闭环调速系统。电流环采用PI调节器，速度环采用PID控制算法，它具有良好的起动和抗干扰性能，可以满足本系统的需要．控制系统框图如图3所示。
在此控制方案中，TAcH引脚输出的脉冲信号直接由单片机的定时计数器T／cl采集，根据采集脉冲的频率可以计算出电机运行速度。此速度作为速度参考值的反馈量，与上位Pc机设定的转速比较后，经增量式限幅PID调节，将输出值作为电流环给定值。该值与采样得到的电机母线电流值比较，然后采用PI增量调节方式，实时调节单片机输出的PwM占空比，改变施加与电机上的电压，达到电机调速的目的。
2.2软件设计
根据系统的控制策略，可以得出整个控制系统软件由主程序和INT3中断服务程序组成。流程图如图4所示。
软件采用模块化设计。主程序中，执行初始化模块，主要完成系统时钟、看门狗、T3中断、事件管理器的各个寄存器及其中断的设置，以及软件中各个变量的初始化。执行完初始化后，体统进入循环等待T3中断。
在INT3中断子程序中，主要包括：A／D转换模块，利用megal8内部的A／D转换单元完成相电流的A／D转换；PID模块，实现数字PID算法，对转速误差和电流误差进行调节计算，控制PWM信号的占空比；PWM波形发生模块，通过megal8内部的事件管理器模块的PWM波形发生器，将定时器T1设置成连续加1计数模式，对应20 kHz的PWM频率计，计数周期设成50 Us。
3结语
为了验证和分析控制系统的性能，选用了一台瑞士Maxon公司生产的RE系列电机作为样机进行试验。该样机额定功率126 w，额定转速7580 r／min。结果表明该系统实现了无刷直流电机的控制，由于A3936电机专用芯片的使用，让整个结构简单易于实现复杂的控制方法以提高系统性能。采用方波和PWM方式减少了力矩波动改善低速性能，取得了良好的控制精度、动态性能和较宽的调速范围，实现了实时控制，同时结构简单，运行可靠，具有较高的实用价值。
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