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| 一种小功率无刷直流电机控制系统的设计(zxj) |
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摘要：无刷直流电机控制系统由控制电路、检测反馈电路、信号隔离电路、驱动电路、主电路五大部分组成，其中控制电路采用MsP430n611单片机实现；信号隔离采用了高速光耦6N137；转速检测利用无刷电机内部的霍尔传感器实现；电流检钡9引进了TI公司的霍尔电流传感器Acs712；驱动电路采用ll{2130驱动芯片，该芯片自带2μs的死区时间，可同时输出六路驱动信号；主电路则采用三相桥式结构，由六个场效应管IRF540构成n整个系统按照转速、电流双闭环控制方式，引进PI算法，以一台52 w的无刷直流电机(42BLm2)为被控对象，实现了电机的转速控制并保证了良好的稳态及动态性能，整个系统充分发挥了集成芯片的优势，电路简单，功耗低，而且可靠性比较高，具有一定的应用价值。
关键词：双闭环；无刷直流电机；MsP430F611；IR21300 引 言由于有刷直流电机机械电刷和换向器之间存在着相对的机械摩擦，所以控制系统寿命短、可靠性差、噪声大并且易产生火花，加上制造成本高及维修困难等缺点，也导致有刷直流电机的调速精度和性能受到了一定的制约。近年来，无刷直流电机在空调器、电冰箱、洗衣机、电动自行车及微型风机等方面均得到了应用，它们大多是输出功率不火的微型与特种无刷直流电动机，而像纺织、印染、机械、轻工等行业所需的与小型交流异步电动机功率等级对应的永磁无刷直流电动机应用才慢慢展开”。。随着制造业和服务业的进一步发展，无刷直流电动机产业发展空间也会越来越大。本文以MsP430¨6ll为控制核心，采用双闭环控制方案，以52 w小功率无刷直流电机(42BLFo2)为控制对象，开发设计出了一套能够实现无刷直流电机起动、制动、正反转及调速等功能的控制系统+并进行了试制、调试及试验，结果表明其具有简单优越的控制性能。
1系统方案设计本设计的控制对象为42BLF02型直流无刷电机，其额定电压为24 V，额定转速为4()00 r／min，输出功率为52 w。整个控制系统以MsP430F1611单片机为控制核心，通过将霍尔传感器检测到的位置信号和基于电流传感器的电流检测信号，采用适当的Pl算法，以PwM输出脉宽为控制变量，调节逆变桥M0sFET的导通比来实现速度电流双闭环的控制．．系统的内环及外环控制器均为数字控制器，都是由单片机来实现。外环为速度环，单片机根据给定速度值与经霍尔传感器得到的速度伍比较运算得到电流给定值，实际为对应的电机给定电压值。内环为电流环，对速度控制器的输出电流给定值与南经采样芯片采样后送A／D转换得到的电流值，通过适当的H算法，给出对应的PwM脉宽信号。实现电机的调速控制。电机的转向控制由给定转向信号经单片机处理后给出对应的开关管导通相序控制。由j二将M0sFET的实际电流情况采样送到单片机，当三相桥的运行电流超过整定值时，单片机可以灵活地进行保护控制。系统设计结构框图如下阔l所示。
1．1主电路元件选择由电机的参数可知，电机额定电流有效值计算如为：I=P／U，=52 w J／24 V=2 17 A，考虑20％的裕量，=2 6 A。由于电机峰值电流较大，考虑到成本和裕量，主电路中MOsFET选择IRF540。
1．2驱动芯片的选择本文研究的无刷直流电机为t相电机，需要六个M0sFET组成三相全桥电路，因此需要六路触发脉冲来控制M0sFET，如果采用专用无刷直流电机控制芯片成本太高，但使用普通驱动芯片(如：
IR2110，L298 N等，输出一般为四路)可能需要多片，凶此选用具有六路输出功能的驱动芯片lR2130，由于芯片自带死区时间(2μs)，冈此还可以在电路中省去防止M0s管上下桥直通的逻辑电路。
1．3光电隔离芯片选择电机额定运行时的转速为4000 r／ⅡHn，因此电机每转一圈所需要的时间为：t=1／(4000／60)s=O 015 s。而电机运行一圈需要换向六次，冈此电机的控制信号频率：，=1／(O．015／6)Hz=400IIz。采用PwM信号控制时，在电机一个控制信号内需要多个(如：以20个为例)PwM脉冲，脉冲个数越多电机运行时的震动越小。此时PwM信号的频率f=400 Hz×20=8 kHz，冈此在此选用高速光耦6N137。
1．4电流检测芯片选择在系统方案中需要对电机的一相电流进行检测，一般检测方案有两种：一种是采用在电路中串人采样电阻；另一种是在电路中使用电流传感器。由于在电路中串人采样电阻时，电阻两端会有压降，而无刷直流电机对电压变化较敏感，可能会产生抖动，冈此本方案使用霍尔电流传感器Acs712实现电流检测。
2主要硬件电路设计2．1驱动电路及主电路设计主电路采用三相桥式逆变电路结构，由六个场效应管TRF540组成，实际应用时还需考虑对电源进行滤波。
驱动芯片选用Il{1130，它是IR整流器公司推出的高压集成驱动器，可作为交直流调速、uPs电源、电r镇流器以及永磁九刷电机调速电路巾主功率元件的驱动电路。IHll30可直接驱动中小容量的功率场效应管(MOsFET)、绝缘栅晶体管(IGBT)和场效应控制晶闸管(McT)等。IR2130具有六路输入信号和六路输出信号，其巾六路输出信号中的三路具有电半转换功能因而它既能驱动桥式电路中低压侧的功率器件，义能驱动高压侧的功率元件也就是说，该驱动器可共地运行，且只需一路控制电源，而常规的驱动系统通常包括光电隔离器件或者脉冲变压器，同时还必须向驱动电路提供相应的隔离电源。
驱动电路与主电路的原理图如图2所示。
2．2控制电路设计(1)MsP430F1611单片机控制，卷片选用IVISt)4 30F161l单片机，虽然MSI~430系列单片机推出时间不是很艮，但由于其****的性能，在短短几年时间里发展极为迅速，应用也日趋广泛。。MSt)430的丰要特点为：超低功耗、强大的处理能力、高性能模拟技术及丰富的片上外围模块、系统工作稳定、方便高效的开发环境。
(2)信号隔离考虑到MsP430单片机输出的PwM触发信号不足以驱动功率管的通断，因此在触发控制信号和功率管栅极之问加入功率驱动电路，本系统采用6 N137光耦合器，6N137光耦合器是一款用于单通道的高速光耦合器，具有温度、电流和电压补偿功能，高的输入输出隔离，LsTTI／TTL兼容，高速(典型为10～MBd)，5 mA的极小输入电流。在驱动电路的设计上，桥臂的上下管的驱动是不能共地的，因此对上下桥臂驱动的光耦输出端要分配不同的独立电源。而三个下管的驱动则可以共地，因此对于驱动光耦的输出端，一共需要网组独立电源，信号隔离原理图如图3所示。
2．3检测电路设计(1)转子位置检测与速度检测电路霍尔式位置传感器安装在电机内部，由于采用开路输出，所以外部必须加上拉电阻，并对H、H．，、H。进行阻容滤波以抗干扰，霍尔式位置传感器信号处理电路如图4所示。霍尔式位置传感器输出为三路脉宽1 80。的霍尔信号H。、H。H。，=：路信号互差120。相位差，所以在360。电角度内，H。H。、H．信号变化规律为100 110 010-011一001一101。这六种状态分别持续60电角度。
霍尔信号Ha，Hb、Hc送到P4．O、P4.1、P4．2端口，采用定时扫描方式读取Ha、Hb、Hc霍尔状态。单片机根据Ha、Hb、Hc的状态输出相应的控制字到P3．1一P3.6口，控制IB2130和驱动电路中上下桥功率管的导通和关断。另外，霍尔信号H。送到P1．7端口，利用上升沿中断功能计数，得出0．5s内接收到的H。上升沿的个数Motorcount，从而计算电机转速n=M0mcounf×120／p(r／s)，P为电机磁极对数。
(2)电流检测设计中选用的电流传感器为隔离型电流霍尔传感器ACS712型集成芯片，该芯片体积小、价格低、便于安放。采用5 v单电源供电，低噪音模拟输人路径，可通过外部滤波引脚调整带宽，功耗低，隔离性好，其输出精度为185 m、1／A，误差小于1．50A，。
由于选用]VISt)430的A／D转换器要求输入O～3．3 V的信号，显然砜与A／D转换器输入不匹配，冈此须对砜信号进行信号调理放大处理图5所示为电流检测及信号调理放大电路。TLc082的增益c是用一个精密电阻设置的，因此电路德输出信号即以为：
U。=O 1 85GI。该电路的突出优点为：U正比于，一可通过调节R调节电流检测范围；集成度高， 抗干扰能力强，测量噪声小，精度高．．3系统软件设计本系统软件设计采用模块化思想、c语言编程，主要包括主程序、初始化子程序、霍尔信号采集子程序、速度环运算子程序、电流环运算子程序、中断服务子程序。主程序流程图如图6所示。
由图7可知，电机在频率低于5 kHz时转速不变，在频率5 kHz<f<12 kHz范围内电机震动较大，因此选定频率12～17 kHz之间调速。图8为频率固定在15．6 kHz时，占空比与转速的关系。
4系统实验4．1调速区间的选择无刷直流电机的机头就是一个交流同步电机，交流电机在调速时的曲线是非线性的，如果无刷直流电机在调速时单纯依靠PI算法自动调节的话可能速度达不到给定值，而且会出现震动。因此如果人为的对调速区间加以限制就能得到较好的效果。以下是通过实验方法测得的橱速区间，图7为占空比为50％时转速与频率的关系。
从图8中可以看出当占空比大于印％时电机的线性度开始下降，因此占空比调节范围在25％～60％。
4．2电机正反转实现实现电机正反转的方法有很多，本文采用检测电流调节器给定信号的极性来实现，当检测极性发生变化时，通过当前的霍尔信号来判断下一个反转脉冲的给定，即可自然的实现电机的正反转切换，实验证明此方法可行，过渡过程较快。
5系统调试控制信号经过IR2130后的驱动波形如图9所示(以上桥臂为例)；电机一相线电压波形(探头x10)如图10所示；两相间相电压波形如图l】所示。
6结语本文设计的系统采用16位单片机MSP4305、161 l作为控制核心，其处理能力强、运算速度快目助耗超低，驱动电路采用IR2130驱动芯片，一片IR2130可替代3片IR2110，使整个驱动电路更加简单可靠电流检测引进TI公司的霍尔电流传感器Acs712，该芯片采用5 v单电源供电，低噪音模拟输入路径，可通过外部滤波引脚调整带宽，功耗低，隔离性好，其输出精度为185 mv／A，误差小于l 5％。整个系统以4：2Bt。如2型直流无刷电机为控制对象，实现了电机的启动、制动、正反转、调速及稳速等功能，为小功率无刷电机在工业领域的实际应用提供了很好的理论基础。 |
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