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[導(dǎo)讀]摘要:文中從硬件和軟件兩個(gè)方面具體介紹了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),基于LPC2210豐富而強(qiáng)大的控制功能,以LPC2210為主控芯片設(shè)計(jì)的無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng),具有實(shí)時(shí)性好和可靠性高的特點(diǎn);同時(shí)采用uC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng),不僅

摘要:文中從硬件和軟件兩個(gè)方面具體介紹了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),基于LPC2210豐富而強(qiáng)大的控制功能,以LPC2210為主控芯片設(shè)計(jì)的無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng),具有實(shí)時(shí)性好和可靠性高的特點(diǎn);同時(shí)采用uC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng),不僅使多任務(wù)程序設(shè)計(jì)簡化,也使電機(jī)可以應(yīng)用在復(fù)雜的需要處理多任務(wù)的場合。

關(guān)鍵詞:LPC2210;無刷直流電動(dòng)機(jī);uC/OS-Ⅱ;ARM

無刷直流電動(dòng)機(jī)不僅繼承了直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速和啟動(dòng)特性好,堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大的優(yōu)點(diǎn),而且由于利用電子開關(guān)線路和位置傳感器代替了換向器電刷裝置,使得電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)大大簡化,電機(jī)的精度、性能和可靠性也都有了很大提高,因此,無刷直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用十分廣泛,尤其是在高級電子設(shè)備、機(jī)器人、航空航天技術(shù)、數(shù)控裝置、醫(yī)療化工等高新領(lǐng)域,對無刷電機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究也具有重要意義。

1 無刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理

無刷直流電動(dòng)機(jī)由三部分組成,分別是電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子開關(guān)線路,它的原理圖如圖1所示,直流電源通過開關(guān)線路向電動(dòng)機(jī)定子繞組供電,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器可檢測到轉(zhuǎn)子位置并提供相應(yīng)信號去觸發(fā)開關(guān)線路中的功率開關(guān)元件使之導(dǎo)通或關(guān)斷,從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

無刷直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示,其中電動(dòng)機(jī)本體是由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成,定子是電動(dòng)機(jī)的電樞,定子鐵心中安放著對稱的多相繞組,可接成星形或封閉形,各項(xiàng)繞組分別與電子開關(guān)線路中的相應(yīng)晶體管相連接。電子開關(guān)線路有橋式和非橋式兩種。轉(zhuǎn)子是由永磁材料制成的有一定極對數(shù)的永磁體,主要有凸極式和內(nèi)嵌式兩種。位置傳感器是電機(jī)系統(tǒng)的重要部件,其作用是檢測轉(zhuǎn)子磁場相對于定子繞組的位置,常見的位置傳感器有電磁式、光電式和霍爾元件。

本文中的無刷直流電機(jī)采用i相星形橋式接法,如圖3所示。

通過控制晶體管的通斷,給定子繞組加電,每一時(shí)刻有兩相繞組導(dǎo)通,另一相繞組斷開,從而產(chǎn)生不同方向的定子磁場,若定子磁場的方向超前轉(zhuǎn)子磁場90°電角度,則定子磁場對轉(zhuǎn)子磁場產(chǎn)生正的電磁轉(zhuǎn)矩,電機(jī)正轉(zhuǎn)。若電子磁場的方向滯后轉(zhuǎn)子磁場90°電角度,電機(jī)反轉(zhuǎn)。要使電機(jī)能夠同步運(yùn)行并產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩,需要保持定子磁場與轉(zhuǎn)子磁場在空間上的相對靜止,使得產(chǎn)生的定子磁場的方向根據(jù)轉(zhuǎn)子位置的變化而變化。所以,轉(zhuǎn)子磁場的方向是連續(xù)變化的,而定子磁場的方向是跳躍的。

轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動(dòng)一周的時(shí)間里,轉(zhuǎn)子位置傳感器把每一時(shí)刻轉(zhuǎn)子的位置信號送到控制器中,控制器由此控制晶體管的導(dǎo)通和關(guān)斷,使定子三相繞組的其中兩相導(dǎo)通,產(chǎn)生相應(yīng)的定子磁場,因此,轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周,定子磁場的方向會(huì)相應(yīng)的改變6次,以保證定子磁場的方向和轉(zhuǎn)子磁場方向相對靜止。

電樞繞組電流的跳變使得定子磁場是跳變的,但是轉(zhuǎn)子磁勢是連續(xù)變化的,這兩個(gè)磁勢的平均速度相等,具有恒定的平均電磁轉(zhuǎn)矩,但是瞬時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩與速度是不相等的,因此存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分量。

從以上無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理可知,電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)過程中,通過控制6個(gè)MOSFET構(gòu)成的三相橋式逆變器為電樞供電,當(dāng)兩項(xiàng)導(dǎo)通時(shí),另一項(xiàng)斷開。在一個(gè)周期內(nèi),無刷直流電動(dòng)機(jī)內(nèi)的位置傳感器輸出6種有效的狀態(tài),分別對應(yīng)轉(zhuǎn)子的不同位置。再結(jié)合換向邏輯,對連接到三相定子繞組的逆變器的6個(gè)MOSFET進(jìn)行開關(guān)控制,使三相定子繞組按照一定順序依次通電,以滿足轉(zhuǎn)矩角要求,使轉(zhuǎn)子能在持續(xù)平穩(wěn)的磁場中轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以通過調(diào)節(jié)定子繞組的輸入電壓的平均值實(shí)現(xiàn),因此可采用PWM調(diào)節(jié)控制。

2 無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用雙閉環(huán)的控制策略,如圖4所示,外環(huán)為速度環(huán),由電機(jī)位置檢測得到的信號經(jīng)控制器計(jì)算得出轉(zhuǎn)速,與給定轉(zhuǎn)速相比得出差值,經(jīng)過PI調(diào)節(jié)得到下一步的電流值。內(nèi)環(huán)是電流環(huán),根據(jù)檢測得到的反饋電流信號與給定的電流信號比較,其差值通過一定的PID算法,得到新的參考電流,去控制下一步的PWM占空比。

電機(jī)的控制系統(tǒng)的控制器選用LPC2210,LPC2210采用ARM7TDMI內(nèi)核,低功耗,可以運(yùn)行多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(如uC/OS-Ⅱ)具有6個(gè)單邊沿控制(或3個(gè)雙邊沿控制)PWM輸出,8路10位A/D轉(zhuǎn)換器,2個(gè)32位定時(shí)器,分別具有3路和4路32位的捕獲通道。電機(jī)控制原理圖如圖5所示。電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)包括以下幾個(gè)部分。

1)驅(qū)動(dòng)電路,LPC2210控制器輸出PWM信號需要經(jīng)過信號放大再去驅(qū)動(dòng)逆變器,驅(qū)動(dòng)電路采用IR2130,其偏置電壓可達(dá)到600 V,驅(qū)動(dòng)電流200~420 mA,而且6路驅(qū)動(dòng)只需要1個(gè)+15~20 V直流電壓電源,功率開關(guān)管選用IRG4PH40K,它是N溝道增強(qiáng)型IGBT。為了使電路有良好的電磁兼容使用光耦隔離器TLP521,它是三路位置信號的光耦隔離。

霍爾元件根據(jù)轉(zhuǎn)子現(xiàn)在所處的位置發(fā)出的位置狀態(tài)信息,LPC2210接收到位置信息后,發(fā)出相應(yīng)電樞電流換向信號,經(jīng)過光藕隔離,電樞電流換向信號經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路再去驅(qū)動(dòng)功率管,而功率管的負(fù)載就是無刷直流電動(dòng)機(jī)的電樞了,這樣電樞電流換向信號就可以控制加到無刷直流電動(dòng)機(jī)的電樞電壓和電流,這時(shí)電樞產(chǎn)生的磁勢和轉(zhuǎn)子永磁磁場產(chǎn)生的磁勢相互作用使轉(zhuǎn)子不停的旋轉(zhuǎn)。

2)保護(hù)電路,全橋逆變器中最害怕的是逆變器的上下橋臂同時(shí)導(dǎo)通,這時(shí)驅(qū)動(dòng)電路就處于短路狀態(tài),橋臂上驅(qū)動(dòng)功率管會(huì)因?yàn)殡娏鬟^大而瞬間燒毀,所以在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路方面,在這個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)中加入了一個(gè)電流反饋電路,對功率管電流進(jìn)行監(jiān)測,若電機(jī)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)電流過大,LPC2210處理器通過A/D采集到這個(gè)信號后馬上禁止PWM輸出,使逆變器的上下橋臂就處于關(guān)斷狀態(tài)。同時(shí),根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換,可以實(shí)時(shí)監(jiān)測每一相電樞電流,相應(yīng)調(diào)整PWM輸出的占空比可以達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

3)轉(zhuǎn)子位置檢測。在一個(gè)周期內(nèi),無刷直流電動(dòng)機(jī)內(nèi)的位置傳感器輸出6種有效的狀態(tài),分別對應(yīng)轉(zhuǎn)子的不同位置。轉(zhuǎn)換成換向邏輯,LP C2210的GPIO口通過讀取換向邏輯知道轉(zhuǎn)子的位置。當(dāng)輸入信號跳變時(shí),LPC2210的定時(shí)器可選擇使捕獲事件產(chǎn)生中斷,而進(jìn)行中斷處理換向。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用uC/OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng),本系統(tǒng)代碼精簡,可移植性好,多任務(wù),搶先式,很適合做電機(jī)控制。

中斷服務(wù)程序是軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn),主要包括獲取轉(zhuǎn)子位置信息(電樞電流換向),對電樞電流的采樣,輸出PWM信號以及過電流保護(hù)程序。

1)通過讀取連接電機(jī)位置傳感器的LPC2210 GPIO口可以獲得轉(zhuǎn)子的位置信息,當(dāng)IO口的當(dāng)前狀態(tài)和前一讀取的狀態(tài)一樣,說明電樞電流的方向還不需要改變,保持PWM信號輸出不變。當(dāng)IO口的當(dāng)前狀態(tài)發(fā)生了變化,就需要改變電樞電流的方向了,LPC2210的定時(shí)器可以捕獲輸入霍爾傳感器的信號而產(chǎn)生換向處理中斷。

2)通過電流傳感器獲取電樞電流大小,經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換,控制器通過把轉(zhuǎn)換值與設(shè)定值比較,若電流比預(yù)定的大就要減小輸出PWM信號占空比的值,反之就要增大占空比的值,若電流大小超過的電樞電流的極限值,就產(chǎn)生最高級別的中斷申請,禁止PWM輸出,起到保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路的目的。

系統(tǒng)軟件主程序主要完成系統(tǒng)初始化和雙閉環(huán)PI參數(shù)的設(shè)定,電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算和電機(jī)啟動(dòng)停止控制等功能。主程序流程圖如圖6所示。

4 結(jié)束語

LPC2210芯片為核心的無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng),硬件電路簡單可靠,采用不同優(yōu)先級的中斷服務(wù),保證了電機(jī)工作實(shí)時(shí)性和可靠性?;趗C/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)的支持,本控制系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性,可根據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)建新任務(wù)。同時(shí)軟件設(shè)計(jì)的通用性良好,只需修改與硬件相關(guān)的少許代碼,就可以應(yīng)用到不同的處理器中。

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