技术 | 基于ARM的无刷直流电机调速系统

来源 | 《电气技术》

作者 | 高振天、袁玮

针对无刷直流电机，基于ARM核的32位微控制器，提出了一种闭环调速系统方案。首先给出了系统组成结构图，然后详细阐述了各个功能模块电路的硬件实现方式，最后根据系统的控制策略，阐述了软件编程思想。

无刷直流电机的应用已从最初的航空、军事设施领域扩展到了办公自动化、家用电器、工业过程控制、精密机床和汽车电子等工业和民用领域。有专家认为无刷直流电机将作为信息时代的主要执行部件在各行各业得到最广泛的应用。尤其近年来国内电动车的普及，同时随着环保、节能的社会号召，电动汽车也应运而生，还有大部分家用电器，无不预示着无刷直流电机应用的飞速发展。

传统的电机调速系统往往以普通的8位微控制器或性能强大的DSP作为控制核心，前者需要附加多种接口，实时性差，指令功能不强，运算速度慢，应用很受限制；而后者的价格较高，开发门槛高，可选择性差，只适合做一些中高端的应用。

基于ARM核的微控制器的出现较好地解决了以上问题，ARM处理器资源丰富，具有良好的通用性，其主要特点是高性能、低功耗、低成本。因此，本文基于ARM处理器LM3S2739，以当前应用广泛的无刷直流电机为研究对象，应用闭环调速策略，设计了一个全数字闭环调速系统。

1 系统组成及工作原理

系统硬件组成如图1所示。由图可知，系统主要由电源电路、控制电路、驱动电路、位置检测电路以及检测保护电路等组成。

图1 系统硬件组成框图

2 模块电路设计

根据图1中的系统组成框图，下面以模块电路的形式逐一介绍各个电路的功能及其实现。

2.1 电源电路

电源模块的输入为220VAC、50Hz，提供6路输出：+15V-ISO、+5V-ISO、+15V、-15V、+5V、+3.3V，其中前两路与其它各路隔离。开关芯片采用PI公司生产的TOP260EN，此芯片在开放式模式下，其输出功率可达275W，能满足设计要求。

电源电路的设计关键点在于接地的处理，要特别注意以下几种地：驱动电源地、控制电源数字地、控制电源模拟地、电机三相电源地、设备外壳地、供电电源中性线等。正确合理的处理以上地电位对系统的正常运行、人身安全起决定性作用。除此之外，电路板宜采用多层板设计，高频信号加屏蔽，关键信号加滤波，成品加屏蔽外壳，以此来达到整机的电磁兼容性要求。

2.2 控制电路

控制电路是指调速系统中的弱电部分，主要包括：主控芯片、存储器接口、通讯接口、LED显示等电路。

主控芯片采用美国流明诺瑞(Luminary)公司基于Cortex-M3内核的32位ARM芯片LM3S2739作为控制核心芯片，该系列芯片是专为电机控制应用设计，丰富的外设使得外围电路实现起来非常简单，同时能有效缩小电路板体积。

为了保存用户参数，防止掉电丢失，本系统中设计了2K非易失存储空间，存储芯片采用24C02，利用LM3S2739的I2C功能模块，实现起来非常方便。

本系统设计了两种通讯接口：RS232串行接口和CAN总线接口。RS232接口一般用来实现上位机调试参数，接口芯片采用SP3232EUCY。CAN总线可以很容易实现网络控制，接口芯片采用TJA1050。以上接口均采用光电隔离提高抗干扰性。

系统采用1位7段数码管显示状态，包括系统运行状态、故障状态等。数码管通过LM3S2739的同步串行接口(SSI)来控制，同时采用移位存储器74HC595来进行串并扩展。

2.3 驱动电路

驱动电路采用智能功率模块(IPM)，这种器件将输入隔离、能耗制动、过温、过压、过流保护及故障诊断等功能集成一体。本系统充分利用IPM的强大功能，只需少量的外围器件便可以很容易地组成功能完善的逆变桥主电路。

功率驱动模块采用仙童(Fairchild)公司的FSBS10CH60，它是10A、600V的集驱动和保护于一体的IGBT模块，隔离电压达到2500V。带有温度传感器，可方便实现过热检测。为了实现弱电信号控制强电信号，达到强弱电隔离，尽可能地保护电路。微控制器输出的PWM信号需经过光隔驱动后，再控制IPM。光电隔离器件采用HCPL4504。

2.4 位置检测电路

本系统所选电机为无刷直流电机，配有霍尔位置传感器和编码器。霍尔位置传感器是集电极开路输出，因此在和微控制器接口时需要上拉电阻。编码器是双极差分信号输出，需要增加接收器26C32和微控制器接口。

2.5 检测保护电路

由于电机驱动的开发和使用的特殊性，应加强安全意识。一是实验过程的人身安全；二是设备安全，保证实验过程的正常运行。因此，保护电路必不可少。在本项目的设计过程中，重点设计了以下检测保护电路。

(1)相电流检测：精确的电流采样，是电机良好运转的必要条件。本系统采用LEM公司生产的电流传感器HX-15P进行电流采样。电流传感器的原边串入电机三相动力线，副边即输出成比例的电压信号。该信号为具有正负极性的双边信号，无法直接接入微控制器的AD输入通道，因此，需要对该信号进行整流，可以采用运放构成精密全波整流电路，不过要注意运放的带宽，以便满足AD采样的需要。

(2)过压、欠压检测电路：通过在母线电压之间串接分压电阻进行电压采样，电路的核心是双比较器LM393，其构成窗口比较器，母线电压超出窗口阈值，表明母线电压异常，输出信号通过光隔后，输入微控制器接口，从而控制PWM输出，保护功率驱动电路的安全。

(3)过流故障检测：主要依靠IPM芯片的故障输出功能，FSBS10CH60芯片具有一个故障输出引脚FO，当芯片内部出现过流等综合故障，此引脚会输出脉冲信号。将此脉冲信号通过光隔后，输入微控制器PWM模块的故障(Fault)引脚，强制PWM进入无效状态。

(4)过热故障检测：同样是利用IPM芯片的集成温度传感器功能，IPM芯片内部带有一个热敏电阻，作为温度传感器使用。通过热敏电阻采样的温度电压信号经过运放OP07构成的电压跟随器后，再经过比较器和设定的温度值做比较，输出信号通过光隔后，输入微控制器接口，从而保证电路安全。

3 驱动软件设计

本文所设计的伺服驱动系统是一个基于无刷直流电机的包括速度调节环和电流调节环的双闭环调速系统。闭环调节算法采用常用的PI控制算法。

首先通过编码器和霍尔位置传感器的输出来确定转子的位置和换向信号。同时，计算得到电动机的当前速度，然后与速度参考值进行比较，得到速度误差信号，经速度调节器后，得到相应的电流参考信号，该电流参考信号与电流传感器采样的实际电动机相电流信号进行比较，电流误差信号经电流调节器调节后，得到PWM的占空比，产生适当的PWM信号，施加到电动机的功率电子开关电路上，通过控制功率管的开通关断顺序和时间，从而实现对直流无刷电动机转速和输出转矩的控制。

根据控制系统所要实现的功能，结合模块化的软件设计思想，可将系统软件分为三大部分：主程序模块、系统初始化模块、系统控制模块。主程序模块主要包括系统时钟配置、外设接口配置、中断配置以及调用系统初始化模块和系统控制模块等。

系统初始化模块主要完成HALL接口、QEI接口、PWM模块、ADC采集模块、系统定时模块、显示输出模块、CAN总线模块、UART模块、看门狗等相关模块的初始化功能。系统控制模块功能包括各中断服务子程序，主要负责完成系统控制任务，包括命令的接收与处理、参数综合、全局协调以及状态显示等。

本系统大部分的功能依赖于中断的执行，因此正确配置中断是程序设计的关键。程序的编程语言采用C语言，灵活易用，可移植性强。开发环境采用IAR Embedded Workbench for ARM V5.50，编译效率高，使用方便。主程序流程图如图2所示。

图2 主程序流程图

4 系统应用

城市轨道交通站台屏蔽门系统作为国家大力发展的轨道交通设备，市场前景广阔。门机系统是屏蔽门系统的核心，其关键技术是电机控制，也就是伺服驱动系统。基于本文所设计的伺服驱动系统，满足屏蔽门系统的速度环控制要求。

5 结论

ARM的强势推出，成本不断降低，诸多伺服设计厂家已经转向ARM方案，可以说基于ARM的芯片已经引领了MCU应用潮流。同时，基于ARM核的芯片具有32位的内核，资源丰富，性能优越，为高速采样提供了运算速度的保证, 从而可在较大的转速范围内实现高精度控制。该调速系统具有响应速度快、可扩展性强、性价比高等特点，可应用于自动门、电动自行车等领域，有广阔的市场应用价值。