摘  要： 為了滿足對(duì)無刷直流電機(jī)快速、平穩(wěn)、準(zhǔn)確調(diào)速的要求，設(shè)計(jì)了一種以Cortex_M3內(nèi)核為平臺(tái)的無刷直流電機(jī)（BLDC）控制系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了該控制系統(tǒng)的硬件及軟件部分。運(yùn)用操作系統(tǒng)FreeRTOS實(shí)時(shí)調(diào)度任務(wù)，采用速度、電流雙PID控制算法，形成無刷電機(jī)的雙環(huán)實(shí)時(shí)控制。為了更加有效地降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了一種12扇區(qū)無磁鏈觀測(cè)的二三導(dǎo)通模式直接轉(zhuǎn)矩控制。試驗(yàn)結(jié)果證明，該控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快、調(diào)速范圍廣且精度高、性能穩(wěn)定可靠、成本和功耗皆低，應(yīng)用前景十分廣泛。

　　關(guān)鍵詞： 直流無刷電機(jī)；直接轉(zhuǎn)矩控制；PID算法；轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)

0 引言

　　近些年來，隨著控制理論及電子技術(shù)的迅速發(fā)展，無刷電機(jī)電子換相逐漸取代了傳統(tǒng)的有刷直流電機(jī)的機(jī)械換相[1-2]。本文提出在中小功率的無刷電機(jī)的控制系統(tǒng)中采用ST公司以Cortex—M3為內(nèi)核的STM32f103作為核心處理器，它自身帶有反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)功能，專門用于電機(jī)控制的外設(shè)，簡(jiǎn)化了外圍電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使其成本大幅降低。

　　由于無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制技術(shù)仍不成熟，為降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制成為了研究的新方向。傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制方法通過優(yōu)選的電壓矢量對(duì)電機(jī)定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩直接進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的直接控制[3-4]。在無刷直流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制中，由于反電勢(shì)為方波，常用的導(dǎo)通方式是120°導(dǎo)通方式，對(duì)應(yīng)的空間電壓矢量的選擇與傳統(tǒng)的電壓矢量也不同[5]。為了更加有效地降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，本文實(shí)現(xiàn)一種12扇區(qū)無磁鏈觀測(cè)的二三導(dǎo)通模式直接轉(zhuǎn)矩控制[6]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工作原理

　　該控制系統(tǒng)主要包含輸入保護(hù)電路、MOSFET驅(qū)動(dòng)、模數(shù)轉(zhuǎn)換、采樣保持、電池充電檢測(cè)、電子剎車、電流保護(hù)、通信模塊。該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　系統(tǒng)工作原理及功能如下：使用FreeRTOS操作系統(tǒng)建立4個(gè)任務(wù)設(shè)定優(yōu)先級(jí)：AD檢測(cè)任務(wù)、串口通信任務(wù)、模式及速度控制任務(wù)、故障報(bào)警指示任務(wù)。AD檢測(cè)任務(wù)每2 ms執(zhí)行一次，若有過流、長時(shí)間堵轉(zhuǎn)或其他突發(fā)性故障，故障指示燈將報(bào)警并關(guān)斷輸出停止電機(jī)運(yùn)行。若無上述故障，則處理器將根據(jù)人機(jī)界面通過串口發(fā)送來的信號(hào)進(jìn)行解碼，然后設(shè)置相應(yīng)的轉(zhuǎn)子速度及運(yùn)行模式。根據(jù)定時(shí)器中斷捕獲到霍爾的變化，分析電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，然后根據(jù)定子轉(zhuǎn)動(dòng)方向來控制功率管的開關(guān)順序，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度[7]。

2 硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 STM32f103簡(jiǎn)介

　　STM32是32位處理器，工作頻率高達(dá)72 MHz，速度達(dá)120 MIPS，內(nèi)部集成多路高精度12位AD，6個(gè)普通定時(shí)器，兩個(gè)16位高級(jí)定時(shí)器，每個(gè)可產(chǎn)生6路捕獲/比較通道可輸出6路互補(bǔ)PWM，還有剎車和死區(qū)控制，是一款專用電機(jī)控制芯片，不僅簡(jiǎn)化了外圍電路設(shè)計(jì)，而且節(jié)省成本，結(jié)合實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)FreeRTOS，更充分有效地運(yùn)用了CPU資源，使各個(gè)任務(wù)實(shí)時(shí)快速響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)操作的快速靈活。

　　2.2電流采樣及保護(hù)電路

　　在圖2所示的電流采樣及保護(hù)電路中，當(dāng)電機(jī)帶負(fù)載時(shí)，有時(shí)電流會(huì)達(dá)到幾安培，為了處理器正常工作及采樣，需要采用阻值小且精確、體積小的康銅絲作為采樣電阻，電流信號(hào)經(jīng)康銅絲采樣之后分兩路，分別送至放大器和比較器。放大器用來實(shí)時(shí)放大采樣過來的電流信號(hào)，放大約20倍，放大后的信號(hào)提供給處理器進(jìn)行AD采樣轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的AD值不能超過規(guī)定值。另一路信號(hào)送至比較器，當(dāng)電流由于某種原因大大超過允許值時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)送出低電平，觸發(fā)單片機(jī)的大電流中斷，使單片機(jī)能夠快速關(guān)斷驅(qū)動(dòng)，從而保護(hù)MOSFET避免受到更大的傷害[8-10]。

　　2.3 功率逆變驅(qū)動(dòng)電路

　　如圖3所示，功率逆變驅(qū)動(dòng)電路中，功率開關(guān)器件采用隔離驅(qū)動(dòng)方式將多路驅(qū)動(dòng)電路、控制電路、主電路互相隔離，以免引起嚴(yán)重的后果。本系統(tǒng)采用美國IR公司生產(chǎn)的IR2101S，它具有獨(dú)立的低端和高端輸入通道；懸浮電源采用自舉電路，邏輯電源電壓范圍大，為系統(tǒng)模塊化的設(shè)計(jì)帶來了方便，極大降低了開發(fā)成本，縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期[11]；快速恢復(fù)二極管Fr10和R39組成自舉電路。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 控制策略

　　將二二導(dǎo)式與三三導(dǎo)通模式相結(jié)合，得到新的二三導(dǎo)通模式，該導(dǎo)通模式共有12個(gè)電壓矢量，電壓矢量增加使60°扇區(qū)變?yōu)?0°扇區(qū)，能有效地減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。在定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩控制方面，12個(gè)電壓矢量的調(diào)節(jié)比6電壓空間矢量更準(zhǔn)確。12個(gè)電壓矢量組合分成12個(gè)扇區(qū)，扇區(qū)劃分如圖4所示。二三導(dǎo)通劃分扇區(qū)的方法和三三導(dǎo)通一樣，二三導(dǎo)通是電壓矢量的15°范圍內(nèi)作為一個(gè)扇區(qū)。

　　本文詳細(xì)地分析了無磁鏈觀測(cè)的無刷直流電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制，得到轉(zhuǎn)矩偏差的表達(dá)式為：

　　其中，p為極對(duì)數(shù)，Δφsq為定子交軸磁鏈變化量，Lq為電機(jī)交軸電感，φr為轉(zhuǎn)子磁鏈，θe為轉(zhuǎn)子相對(duì)于ɑ軸夾角。

　　由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于電氣時(shí)間常數(shù)，當(dāng)電壓矢量起作用時(shí)，認(rèn)為轉(zhuǎn)子位置不變。在轉(zhuǎn)子位置不變的情況下，dφr/dθe也保持不變，為迅速調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩偏差，應(yīng)該選擇交軸分量最大的電壓矢量。近似地在保持定子磁鏈幅值不變的情況下，施加垂直于轉(zhuǎn)子磁鏈方向的電壓矢量，迅速補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩偏差。以扇區(qū)Ⅰ為例，如圖5所示，Ψr為轉(zhuǎn)子磁鏈，V4與V10可近似地認(rèn)為與30°扇區(qū)垂直。施加V4，增加轉(zhuǎn)矩；施加V10，減小轉(zhuǎn)矩。

　　隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到不同的扇區(qū)，以此規(guī)律，得到最優(yōu)電壓矢量選擇表，如表1所示。

　　無刷直流電機(jī)無磁鏈觀測(cè)直接轉(zhuǎn)矩控制框圖如圖6所示。

　　從圖6看出，給定轉(zhuǎn)速ωr*和實(shí)際轉(zhuǎn)速ωr經(jīng)過速度PID調(diào)節(jié)，將給定轉(zhuǎn)矩T*與實(shí)際轉(zhuǎn)矩比較，得到輸出結(jié)果τ。當(dāng)τ=1時(shí)，表示需要增加電機(jī)轉(zhuǎn)矩；當(dāng)τ=-1時(shí)，表示需要減少電機(jī)轉(zhuǎn)矩。根據(jù)HALL信號(hào)判斷扇區(qū)結(jié)合最優(yōu)電壓矢量選擇表，選出合適的電壓矢量作用于電機(jī)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩偏差實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制。

　　3.2 程序設(shè)計(jì)

　　本控制器軟件系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)FreeRTOS來調(diào)度各個(gè)任務(wù)，它是一個(gè)輕量級(jí)的微內(nèi)核RTOS，支持優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法，可根據(jù)每個(gè)任務(wù)的重要程度來賦予其一定的優(yōu)先級(jí)，CPU總是讓處于就緒態(tài)的、優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)先運(yùn)行，可極大地提高CPU的運(yùn)行效率，保證各個(gè)任務(wù)實(shí)時(shí)快速響應(yīng)。

　　本系統(tǒng)運(yùn)用RTOS創(chuàng)建了4個(gè)任務(wù)，具體如下：

　?。?）電機(jī)轉(zhuǎn)子模式及轉(zhuǎn)速設(shè)置，優(yōu)先級(jí)為4，如果接收到有效命令則執(zhí)行相應(yīng)的設(shè)置及操作，人的響應(yīng)時(shí)間為100 ms左右，為了讓人感覺操作靈敏，任務(wù)每20 ms執(zhí)行一次，即得到命令后20 ms內(nèi)CPU就會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的設(shè)置。

　?。?）AD檢測(cè)任務(wù)，優(yōu)先級(jí)為2，對(duì)采集來的電流與程序中設(shè)置的閾值進(jìn)行比較，若超過最大值，則使電機(jī)進(jìn)入保護(hù)或者報(bào)警模式，若采集電流值正常，則進(jìn)行速度PID調(diào)節(jié)、電流PI調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)、限幅輸出PWM，直至電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。

　　（3）串口通信任務(wù)，優(yōu)先級(jí)為3，人機(jī)界面每33 ms自動(dòng)發(fā)一次命令給控制器，控制器進(jìn)行命令解碼，若收到的數(shù)據(jù)有效，中斷程序釋放一個(gè)信號(hào)量，串口通信任務(wù)得到信號(hào)量后，任務(wù)從掛起恢復(fù)執(zhí)行，把得到的命令傳送給任務(wù)1，若發(fā)送成功，返回一個(gè)應(yīng)答命令，然后任務(wù)重新掛起，等待下一次信號(hào)量的到來。

　　（4）故障報(bào)警指示任務(wù)，優(yōu)先級(jí)為5，若缺相、霍爾位置錯(cuò)誤、電流過大、堵轉(zhuǎn)則相應(yīng)的LED會(huì)閃爍，并且讓電機(jī)停止運(yùn)行，關(guān)斷繼電器，能迅速找到錯(cuò)誤所在，節(jié)省維修調(diào)試時(shí)間。

　　程序系統(tǒng)框架如圖7所示。

　　軟件部分把4個(gè)任務(wù)的部分控制概括融合后進(jìn)行了簡(jiǎn)要描述，直觀體現(xiàn)了電機(jī)的整個(gè)控制流程。另外，對(duì)于電機(jī)控制系統(tǒng)的擴(kuò)展部分，如鍵盤顯示、數(shù)據(jù)通信等設(shè)計(jì)也都有過相關(guān)文獻(xiàn)論述，就不再贅述。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　本控制對(duì)象采用額定電壓24 V，最高轉(zhuǎn)速3 500 r/min的無刷電機(jī)。通過上位機(jī)給控制器發(fā)送命令可驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)、運(yùn)行、剎車、停止，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的不同方向的快速切換和各個(gè)速度擋速度的改變，既使在大負(fù)載下，也能快速啟動(dòng)并達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)，剎車亦快速平穩(wěn)[12]。12扇區(qū)無磁鏈觀測(cè)的二三導(dǎo)通模式直接轉(zhuǎn)矩控制，可以在忽略復(fù)雜的磁鏈估算的前提下，對(duì)無刷直流電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制進(jìn)行改進(jìn)，控制簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，并且有效地降低了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。除以上重要功能外，此控制器還具備上電檢測(cè)通信、霍爾、缺相等故障，并發(fā)出警報(bào)，保護(hù)電機(jī)及避免功率管因電流過大造成永久損害。

5 結(jié)論

　　利用無刷直流電動(dòng)機(jī)速度和電流反饋量作為雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行PID的調(diào)節(jié)，并且采用12扇區(qū)無磁鏈觀測(cè)的二三導(dǎo)通模式直接轉(zhuǎn)矩控制有效地降低了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，使電機(jī)能夠更平穩(wěn)地運(yùn)行，并基于STM32型處理器的硬件平臺(tái)應(yīng)用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)的調(diào)度，使開發(fā)和控制更加方便靈活。此方案已成功應(yīng)用于電動(dòng)輪椅的控制，在實(shí)際運(yùn)行中電機(jī)加減速及平穩(wěn)運(yùn)行、轉(zhuǎn)彎都可以達(dá)到理想的效果。該控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快、調(diào)速范圍廣且精度高、運(yùn)行平穩(wěn)，能夠有效地減小轉(zhuǎn)矩，在理論和實(shí)際應(yīng)用中都具備一定價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 邱明，張曙明，曲金澤.兩種新型實(shí)用直流無刷電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2006，32（10）：77-79.

　　[2] 熊倩.基于SoPC的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].大連：大連海事大學(xué)，2008.

　　[3] TAKAHASHI I， NOGUCHI T． A new quick-response and high-efficiency control strategy of an induction motor[J]．IEEE Transaction on Industry Applications， 1986，22（5）：820-827．

　　[4] ZHONG L， RAHMAN M F， HU W Y， et al． Analysis of direct torque control in permanent magnet synchronous motor drives[J]． IEEE Transaction on Power Electronics， 1997，12（3）：528-535．

　　[5] 楊建飛，胡育文.無刷直流電機(jī)無磁鏈觀測(cè)直接轉(zhuǎn)矩控制[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31（12）：90-95.

　　[6] 周衍，張興華.一種簡(jiǎn)易的無刷直流電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制[J].微特電機(jī)，2014，42（7）：54-57，60.

　　[7] 肖兒良，翟萬利，倪珍珍.一種新型的無刷直流電動(dòng)機(jī)換相控制算法[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39（7）：50-53.

　　[8] 李憲全，楊春玲.面向電動(dòng)車的新型無位置傳感器無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2009，35（6）：30-33.

　　[9] 董華，尤一鳴，王洪濤.基于DSC的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀器儀表用戶，2009，16（1）：31-32.

　　[10] 梅義成，俞建定.基于CAN和TMS320F2812的永磁同步電機(jī)控制器的研究[J].寧波大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版），2011，24（4）：101-105.

　　[11] 吳鵬坤，關(guān)振宏.IR21367在無刷直流電機(jī)控制中的應(yīng)用[J].新特器件應(yīng)用，2011，13（1）：19-22.

　　[12] 郭宇飛，姚猛.無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的實(shí)現(xiàn)[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2009，36（9）：13-16.