摘  要： 為了滿足對無刷直流電機(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)時控制。為了更加有效地降低轉(zhuǎn)矩脈動,，實(shí)現(xiàn)了一種12扇區(qū)無磁鏈觀測的二三導(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

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，它自身帶有反電動勢檢測功能,，專門用于電機(jī)控制的外設(shè),，簡化了外圍電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使其成本大幅降低,。

　　由于無刷直流電動機(jī)的控制技術(shù)仍不成熟,，為降低轉(zhuǎn)矩脈動，對轉(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,，由于反電勢為方波,，常用的導(dǎo)通方式是120°導(dǎo)通方式，對應(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,，本文實(shí)現(xiàn)一種12扇區(qū)無磁鏈觀測的二三導(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,、模數(shù)轉(zhuǎn)換、采樣保持,、電池充電檢測,、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個任務(wù)設(shè)定優(yōu)先級：AD檢測任務(wù)、串口通信任務(wù),、模式及速度控制任務(wù),、故障報警指示任務(wù)。AD檢測任務(wù)每2 ms執(zhí)行一次,，若有過流,、長時間堵轉(zhuǎn)或其他突發(fā)性故障，故障指示燈將報警并關(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)動方向來控制功率管的開關(guān)順序,，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向和速度[7]。

2 硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 STM32f103簡介

　　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個普通定時器,，兩個16位高級定時器，每個可產(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，不僅簡化了外圍電路設(shè)計(jì),，而且節(jié)省成本,，結(jié)合實(shí)時操作系統(tǒng)FreeRTOS，更充分有效地運(yùn)用了CPU資源,，使各個任務(wù)實(shí)時快速響應(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,，有時電流會達(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)時放大采樣過來的電流信號，放大約20倍，放大后的信號提供給處理器進(jìn)行AD采樣轉(zhuǎn)換,，轉(zhuǎn)換后的AD值不能超過規(guī)定值,。另一路信號送至比較器，當(dāng)電流由于某種原因大大超過允許值時,，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,，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)動電路

　　如圖3所示，功率逆變驅(qū)動電路中,，功率開關(guān)器件采用隔離驅(qū)動方式將多路驅(qū)動電路,、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,。在定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩控制方面，12個電壓矢量的調(diào)節(jié)比6電壓空間矢量更準(zhǔn)確,。12個電壓矢量組合分成12個扇區(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)作為一個扇區(qū),。

　　本文詳細(xì)地分析了無磁鏈觀測的無刷直流電動機(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)子相對于ɑ軸夾角,。

　　由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時間常數(shù)遠(yuǎn)大于電氣時間常數(shù)，當(dāng)電壓矢量起作用時,，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,，表示需要增加電機(jī)轉(zhuǎn)矩,；當(dāng)τ=-1時，表示需要減少電機(jī)轉(zhuǎn)矩,。根據(jù)HALL信號判斷扇區(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)時操作系統(tǒng)FreeRTOS來調(diào)度各個任務(wù),，它是一個輕量級的微內(nèi)核RTOS，支持優(yōu)先級調(diào)度算法,，可根據(jù)每個任務(wù)的重要程度來賦予其一定的優(yōu)先級,，CPU總是讓處于就緒態(tài)的,、優(yōu)先級最高的任務(wù)先運(yùn)行，可極大地提高CPU的運(yùn)行效率,，保證各個任務(wù)實(shí)時快速響應(yīng),。

　　本系統(tǒng)運(yùn)用RTOS創(chuàng)建了4個任務(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就會執(zhí)行相應(yīng)的設(shè)置,。

　　（2）AD檢測任務(wù),，優(yōu)先級為2,，對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)先級為3,，人機(jī)界面每33 ms自動發(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,，中斷程序釋放一個信號量，串口通信任務(wù)得到信號量后,，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,，返回一個應(yīng)答命令,，然后任務(wù)重新掛起，等待下一次信號量的到來,。

　?。?）故障報警指示任務(wù),，優(yōu)先級為5，若缺相,、霍爾位置錯誤,、電流過大、堵轉(zhuǎn)則相應(yīng)的LED會閃爍,，并且讓電機(jī)停止運(yùn)行,，關(guān)斷繼電器，能迅速找到錯誤所在,，節(jié)省維修調(diào)試時間,。

　　程序系統(tǒng)框架如圖7所示。

　　軟件部分把4個任務(wù)的部分控制概括融合后進(jìn)行了簡要描述,，直觀體現(xiàn)了電機(jī)的整個控制流程,。另外，對于電機(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)動電機(jī)啟動,、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速度擋速度的改變,，既使在大負(fù)載下，也能快速啟動并達(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,，對無刷直流電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制進(jìn)行改進(jìn)，控制簡單,，容易實(shí)現(xiàn),，并且有效地降低了轉(zhuǎn)矩脈動。除以上重要功能外,，此控制器還具備上電檢測通信,、霍爾、缺相等故障,，并發(fā)出警報,，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,，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應(yīng)用實(shí)時操作系統(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)用中都具備一定價值。

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