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| 一種小功率無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(zxj) |
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摘要：無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)由控制電路、檢測反饋電路、信號(hào)隔離電路、驅(qū)動(dòng)電路、主電路五大部分組成，其中控制電路采用MsP430n611單片機(jī)實(shí)現(xiàn)；信號(hào)隔離采用了高速光耦6N137；轉(zhuǎn)速檢測利用無刷電機(jī)內(nèi)部的霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)；電流檢鋇9引進(jìn)了TI公司的霍爾電流傳感器Acs712；驅(qū)動(dòng)電路采用ll{2130驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片自帶2μs的死區(qū)時(shí)間，可同時(shí)輸出六路驅(qū)動(dòng)信號(hào)；主電路則采用三相橋式結(jié)構(gòu)，由六個(gè)場效應(yīng)管IRF540構(gòu)成n整個(gè)系統(tǒng)按照轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制方式，引進(jìn)PI算法，以一臺(tái)52 w的無刷直流電機(jī)(42BLm2)為被控對象，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制并保證了良好的穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)性能，整個(gè)系統(tǒng)充分發(fā)揮了集成芯片的優(yōu)勢，電路簡單，功耗低，而且可靠性比較高，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：雙閉環(huán)；無刷直流電機(jī)；MsP430F611；IR21300 引 言由于有刷直流電機(jī)機(jī)械電刷和換向器之間存在著相對的機(jī)械摩擦，所以控制系統(tǒng)壽命短、可靠性差、噪聲大并且易產(chǎn)生火花，加上制造成本高及維修困難等缺點(diǎn)，也導(dǎo)致有刷直流電機(jī)的調(diào)速精度和性能受到了一定的制約。近年來，無刷直流電機(jī)在空調(diào)器、電冰箱、洗衣機(jī)、電動(dòng)自行車及微型風(fēng)機(jī)等方面均得到了應(yīng)用，它們大多是輸出功率不火的微型與特種無刷直流電動(dòng)機(jī)，而像紡織、印染、機(jī)械、輕工等行業(yè)所需的與小型交流異步電動(dòng)機(jī)功率等級(jí)對應(yīng)的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用才慢慢展開”。。隨著制造業(yè)和服務(wù)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，無刷直流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展空間也會(huì)越來越大。本文以MsP430¨6ll為控制核心，采用雙閉環(huán)控制方案，以52 w小功率無刷直流電機(jī)(42BLFo2)為控制對象，開發(fā)設(shè)計(jì)出了一套能夠?qū)崿F(xiàn)無刷直流電機(jī)起動(dòng)、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)及調(diào)速等功能的控制系統(tǒng)+并進(jìn)行了試制、調(diào)試及試驗(yàn)，結(jié)果表明其具有簡單優(yōu)越的控制性能。
1系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的控制對象為42BLF02型直流無刷電機(jī)，其額定電壓為24 V，額定轉(zhuǎn)速為4()00 r／min，輸出功率為52 w。整個(gè)控制系統(tǒng)以MsP430F1611單片機(jī)為控制核心，通過將霍爾傳感器檢測到的位置信號(hào)和基于電流傳感器的電流檢測信號(hào)，采用適當(dāng)?shù)腜l算法，以PwM輸出脈寬為控制變量，調(diào)節(jié)逆變橋M0sFET的導(dǎo)通比來實(shí)現(xiàn)速度電流雙閉環(huán)的控制．．系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)及外環(huán)控制器均為數(shù)字控制器，都是由單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)。外環(huán)為速度環(huán)，單片機(jī)根據(jù)給定速度值與經(jīng)霍爾傳感器得到的速度伍比較運(yùn)算得到電流給定值，實(shí)際為對應(yīng)的電機(jī)給定電壓值。內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，對速度控制器的輸出電流給定值與南經(jīng)采樣芯片采樣后送A／D轉(zhuǎn)換得到的電流值，通過適當(dāng)?shù)腍算法，給出對應(yīng)的PwM脈寬信號(hào)。實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速控制。電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制由給定轉(zhuǎn)向信號(hào)經(jīng)單片機(jī)處理后給出對應(yīng)的開關(guān)管導(dǎo)通相序控制。由j二將M0sFET的實(shí)際電流情況采樣送到單片機(jī)，當(dāng)三相橋的運(yùn)行電流超過整定值時(shí)，單片機(jī)可以靈活地進(jìn)行保護(hù)控制。系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如下闊l所示。
1．1主電路元件選擇由電機(jī)的參數(shù)可知，電機(jī)額定電流有效值計(jì)算如為：I=P／U，=52 w J／24 V=2 17 A，考慮20％的裕量，=2 6 A。由于電機(jī)峰值電流較大，考慮到成本和裕量，主電路中MOsFET選擇IRF540。
1．2驅(qū)動(dòng)芯片的選擇本文研究的無刷直流電機(jī)為t相電機(jī)，需要六個(gè)M0sFET組成三相全橋電路，因此需要六路觸發(fā)脈沖來控制M0sFET，如果采用專用無刷直流電機(jī)控制芯片成本太高，但使用普通驅(qū)動(dòng)芯片(如：
IR2110，L298 N等，輸出一般為四路)可能需要多片，兇此選用具有六路輸出功能的驅(qū)動(dòng)芯片lR2130，由于芯片自帶死區(qū)時(shí)間(2μs)，岡此還可以在電路中省去防止M0s管上下橋直通的邏輯電路。
1．3光電隔離芯片選擇電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速為4000 r／ⅡHn，因此電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈所需要的時(shí)間為：t=1／(4000／60)s=O 015 s。而電機(jī)運(yùn)行一圈需要換向六次，岡此電機(jī)的控制信號(hào)頻率：，=1／(O．015／6)Hz=400IIz。采用PwM信號(hào)控制時(shí)，在電機(jī)一個(gè)控制信號(hào)內(nèi)需要多個(gè)(如：以20個(gè)為例)PwM脈沖，脈沖個(gè)數(shù)越多電機(jī)運(yùn)行時(shí)的震動(dòng)越小。此時(shí)PwM信號(hào)的頻率f=400 Hz×20=8 kHz，岡此在此選用高速光耦6N137。
1．4電流檢測芯片選擇在系統(tǒng)方案中需要對電機(jī)的一相電流進(jìn)行檢測，一般檢測方案有兩種：一種是采用在電路中串人采樣電阻；另一種是在電路中使用電流傳感器。由于在電路中串人采樣電阻時(shí)，電阻兩端會(huì)有壓降，而無刷直流電機(jī)對電壓變化較敏感，可能會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，岡此本方案使用霍爾電流傳感器Acs712實(shí)現(xiàn)電流檢測。
2主要硬件電路設(shè)計(jì)2．1驅(qū)動(dòng)電路及主電路設(shè)計(jì)主電路采用三相橋式逆變電路結(jié)構(gòu)，由六個(gè)場效應(yīng)管TRF540組成，實(shí)際應(yīng)用時(shí)還需考慮對電源進(jìn)行濾波。
驅(qū)動(dòng)芯片選用Il{1130，它是IR整流器公司推出的高壓集成驅(qū)動(dòng)器，可作為交直流調(diào)速、uPs電源、電r鎮(zhèn)流器以及永磁九刷電機(jī)調(diào)速電路巾主功率元件的驅(qū)動(dòng)電路。IHll30可直接驅(qū)動(dòng)中小容量的功率場效應(yīng)管(MOsFET)、絕緣柵晶體管(IGBT)和場效應(yīng)控制晶閘管(McT)等。IR2130具有六路輸入信號(hào)和六路輸出信號(hào)，其巾六路輸出信號(hào)中的三路具有電半轉(zhuǎn)換功能因而它既能驅(qū)動(dòng)橋式電路中低壓側(cè)的功率器件，義能驅(qū)動(dòng)高壓側(cè)的功率元件也就是說，該驅(qū)動(dòng)器可共地運(yùn)行，且只需一路控制電源，而常規(guī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通常包括光電隔離器件或者脈沖變壓器，同時(shí)還必須向驅(qū)動(dòng)電路提供相應(yīng)的隔離電源。
驅(qū)動(dòng)電路與主電路的原理圖如圖2所示。
2．2控制電路設(shè)計(jì)(1)MsP430F1611單片機(jī)控制，卷片選用IVISt)4 30F161l單片機(jī)，雖然MSI~430系列單片機(jī)推出時(shí)間不是很艮，但由于其****的性能，在短短幾年時(shí)間里發(fā)展極為迅速，應(yīng)用也日趨廣泛。。MSt)430的豐要特點(diǎn)為：超低功耗、強(qiáng)大的處理能力、高性能模擬技術(shù)及豐富的片上外圍模塊、系統(tǒng)工作穩(wěn)定、方便高效的開發(fā)環(huán)境。
(2)信號(hào)隔離考慮到MsP430單片機(jī)輸出的PwM觸發(fā)信號(hào)不足以驅(qū)動(dòng)功率管的通斷，因此在觸發(fā)控制信號(hào)和功率管柵極之問加入功率驅(qū)動(dòng)電路，本系統(tǒng)采用6 N137光耦合器，6N137光耦合器是一款用于單通道的高速光耦合器，具有溫度、電流和電壓補(bǔ)償功能，高的輸入輸出隔離，LsTTI／TTL兼容，高速(典型為10～MBd)，5 mA的極小輸入電流。在驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)上，橋臂的上下管的驅(qū)動(dòng)是不能共地的，因此對上下橋臂驅(qū)動(dòng)的光耦輸出端要分配不同的獨(dú)立電源。而三個(gè)下管的驅(qū)動(dòng)則可以共地，因此對于驅(qū)動(dòng)光耦的輸出端，一共需要網(wǎng)組獨(dú)立電源，信號(hào)隔離原理圖如圖3所示。
2．3檢測電路設(shè)計(jì)(1)轉(zhuǎn)子位置檢測與速度檢測電路霍爾式位置傳感器安裝在電機(jī)內(nèi)部，由于采用開路輸出，所以外部必須加上拉電阻，并對H、H．，、H。進(jìn)行阻容濾波以抗干擾，霍爾式位置傳感器信號(hào)處理電路如圖4所示�；魻柺轿恢脗鞲衅鬏敵鰹槿访}寬1 80。的霍爾信號(hào)H。、H。H。，=：路信號(hào)互差120。相位差，所以在360。電角度內(nèi)，H。H。、H．信號(hào)變化規(guī)律為100 110 010-011一001一101。這六種狀態(tài)分別持續(xù)60電角度。
霍爾信號(hào)Ha，Hb、Hc送到P4．O、P4.1、P4．2端口，采用定時(shí)掃描方式讀取Ha、Hb、Hc霍爾狀態(tài)。單片機(jī)根據(jù)Ha、Hb、Hc的狀態(tài)輸出相應(yīng)的控制字到P3．1一P3.6口，控制IB2130和驅(qū)動(dòng)電路中上下橋功率管的導(dǎo)通和關(guān)斷。另外，霍爾信號(hào)H。送到P1．7端口，利用上升沿中斷功能計(jì)數(shù)，得出0．5s內(nèi)接收到的H。上升沿的個(gè)數(shù)Motorcount，從而計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速n=M0mcounf×120／p(r／s)，P為電機(jī)磁極對數(shù)。
(2)電流檢測設(shè)計(jì)中選用的電流傳感器為隔離型電流霍爾傳感器ACS712型集成芯片，該芯片體積小、價(jià)格低、便于安放。采用5 v單電源供電，低噪音模擬輸人路徑，可通過外部濾波引腳調(diào)整帶寬，功耗低，隔離性好，其輸出精度為185 m、1／A，誤差小于1．50A，。
由于選用]VISt)430的A／D轉(zhuǎn)換器要求輸入O～3．3 V的信號(hào)，顯然砜與A／D轉(zhuǎn)換器輸入不匹配，岡此須對砜信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理放大處理圖5所示為電流檢測及信號(hào)調(diào)理放大電路。TLc082的增益c是用一個(gè)精密電阻設(shè)置的，因此電路德輸出信號(hào)即以為：
U。=O 1 85GI。該電路的突出優(yōu)點(diǎn)為：U正比于，一可通過調(diào)節(jié)R調(diào)節(jié)電流檢測范圍；集成度高， 抗干擾能力強(qiáng)，測量噪聲小，精度高．．3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化思想、c語言編程，主要包括主程序、初始化子程序、霍爾信號(hào)采集子程序、速度環(huán)運(yùn)算子程序、電流環(huán)運(yùn)算子程序、中斷服務(wù)子程序。主程序流程圖如圖6所示。
由圖7可知，電機(jī)在頻率低于5 kHz時(shí)轉(zhuǎn)速不變，在頻率5 kHz<f<12 kHz范圍內(nèi)電機(jī)震動(dòng)較大，因此選定頻率12～17 kHz之間調(diào)速。圖8為頻率固定在15．6 kHz時(shí)，占空比與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。
4系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)4．1調(diào)速區(qū)間的選擇無刷直流電機(jī)的機(jī)頭就是一個(gè)交流同步電機(jī)，交流電機(jī)在調(diào)速時(shí)的曲線是非線性的，如果無刷直流電機(jī)在調(diào)速時(shí)單純依靠PI算法自動(dòng)調(diào)節(jié)的話可能速度達(dá)不到給定值，而且會(huì)出現(xiàn)震動(dòng)。因此如果人為的對調(diào)速區(qū)間加以限制就能得到較好的效果。以下是通過實(shí)驗(yàn)方法測得的櫥速區(qū)間，圖7為占空比為50％時(shí)轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系。
從圖8中可以看出當(dāng)占空比大于�。r(shí)電機(jī)的線性度開始下降，因此占空比調(diào)節(jié)范圍在25％～60％。
4．2電機(jī)正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的方法有很多，本文采用檢測電流調(diào)節(jié)器給定信號(hào)的極性來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)檢測極性發(fā)生變化時(shí)，通過當(dāng)前的霍爾信號(hào)來判斷下一個(gè)反轉(zhuǎn)脈沖的給定，即可自然的實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)切換，實(shí)驗(yàn)證明此方法可行，過渡過程較快。
5系統(tǒng)調(diào)試控制信號(hào)經(jīng)過IR2130后的驅(qū)動(dòng)波形如圖9所示(以上橋臂為例)；電機(jī)一相線電壓波形(探頭x10)如圖10所示；兩相間相電壓波形如圖l】所示。
6結(jié)語本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用16位單片機(jī)MSP4305、161 l作為控制核心，其處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快目助耗超低，驅(qū)動(dòng)電路采用IR2130驅(qū)動(dòng)芯片，一片IR2130可替代3片IR2110，使整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路更加簡單可靠電流檢測引進(jìn)TI公司的霍爾電流傳感器Acs712，該芯片采用5 v單電源供電，低噪音模擬輸入路徑，可通過外部濾波引腳調(diào)整帶寬，功耗低，隔離性好，其輸出精度為185 mv／A，誤差小于l 5％。整個(gè)系統(tǒng)以4：2Bt。如2型直流無刷電機(jī)為控制對象，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的啟動(dòng)、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)、調(diào)速及穩(wěn)速等功能，為小功率無刷電機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用提供了很好的理論基礎(chǔ)。 |
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