基于ARM的全数字双闭环无刷DC电机控制系统设计

传统的DC电机具有运行效率高、调速性能好等优点，在工业传动中占有重要地位。但其固有的机械换向器和电刷导致其容量有限、噪音大、易火花、可靠性差的缺点。随着计算机技术和微电子技术的发展，无刷DC电机的电刷和机械换向器被位置传感器和电子换向器所取代，而传统DC电机的优点得到很好的保持，运行效率高于有刷DC电机。因此，无刷DC电机一诞生就被广泛应用于工业生产中。特别是在节能减排成为时代主题的今天，无刷DC电机的高效率显示出其巨大的应用价值。

　　1 全数字双闭环直流调速系统简介

在稳态下，DC电机的转速只能通过单闭环速度PI来调节，速度没有静态差异，即输出完全跟随输入。然而，当控制系统对动态性能要求较高，如启动制动快、抗干扰能力强时，单闭环系统中电机电流和转矩的动态过程不能得到及时有效的控制，因此需要在控制系统中设置一个电流调节回路来调节电流。因此，控制系统中有两个调节环，即转速调节环和电流调节环，两个调节环嵌套连接。图1和图2分别是模拟控制和全数字控制下的双闭环控制系统和双闭环DC调速系统的结构框图。

　2 控制系统整体构成

全数字双闭环无刷DC电机控制系统主要由ARM嵌入式处理器、LCD触摸屏、光电耦合电路、驱动电路、逆变电路、电流检测电路、无刷DC电机位置信号检测环节和控制电路组成。

本设计中的ARM处理器为Atmel公司ARM9系列的32位is at91sam9261s。采用5级整数流水线，主频可达300兆赫。支持Windows CE、Linux、Palm OS等多种主流嵌入式操作系统。它广泛应用于需要高速数字信号处理的工业控制、测试设备和仪器中。

无刷DC电机控制系统的总体框图如图3所示。当系统处于运行状态时，速度信号由电阻给出，运行指令(如启动、正转、刹车)通过触摸屏实时显示和P、I参数设置发出。根据霍尔传感器检测到的电机位置信号，计算电机的转速来改变控制器的输出信号，从而调节电机的运行状态。电流检测主要是实现速度电流双闭环控制和过流保护。采样后，从外部检测的电流信号被放大和滤波，并被发送到A/D转换器进行模数转换。控制单元根据检测到的电流调节电流调节器的输出。当发生过流故障时，电流检测电路会发出故障指示信号，并发送给ARM处理器进行处理。

　　3 硬件各模块设计

3.1光耦合器隔离电路

控制信号通常是10 ~ 20 kHz左右的PWM波。为了减少电磁干扰对ARM处理器的影响，需要使用高速光耦进行隔离、整形和电平转换。本设计采用6N137光耦，最大开关时间为75 ns。光耦合器的隔离电路如图4所示。

3.2逆变器电路

功率逆变电路采用三相星形全桥逆变电路，如图5所示。一个三相逆变桥由六个IRF530N MOOSFET组成，其中每个MOSFET功率管的两端与一个二极管反并联，用于续流和缓冲。低端三个MOSFET管并联，然后串联一个小电阻Rs进行电流采样。

　　3.3 位置及速度检测

　　本设计中直流无刷电机位置信号的检测采用霍尔位置传感器，即无刷直流电动机自带的位置传感器，其输出侧通常采用漏极开路，所以必须在它的输出上接上相应的上拉电阻。

　　根据式1计算出两次换相间隔期间的平均角速度，然后在软件程序中换算成r/min，或直接根据△t计算出多少r/min。

　　△t一般较小，可以通过采样对PWM波计数的方式来确定△t。

　　3.4 电流检测与保护电路

　　电流检测与保护电路如图6所示。IR2130带有电流电流放大器和过流输入保护环节，可以对电流采集信号进行放大。当过电流发生时，送到过电流检测引脚的电压高于0.5 V，此时R2130内部的过电流比较器迅速翻转，逻辑故障处理单元输出低电平，六路输入信号被锁存，基于ARM的全数字双闭环无刷直流电动机控制系统设计管脚输出故障指示，故障时输出为低电平，六路输出驱动信号全为低电平，功率管进入全关断状态，使器件得到保护。欠压保护的工作过程与过流保护的工作过程类似。

　　4 控制系统软件设计

　　电机换相控制程序砑有2种设计方法，电机转速不高和电机转速较高。当电机转速不高时，换相周期较长，PWM周期远高于电机换相周期，这样可在每一个PWM周期对霍尔信号输入进行查询，判断是否需要换相，并设定一个计数器记录两次换相期间的PWM周期数用于计算转速。当电机转速较高时，两次换相期间相隔PWM周期数不多，查询换相的方法会导致换相不及时且影响转速计算精度，需通过中断的方法进行换相，在需要速度调节时直接通过中断接口函数读取速度值。在应用程序中加入中断响应事件消息响应函数，若中断发生，则进入中断子程序并设置相应故障参数。控制系统主程序流程图如图7所示。

　　5 结束语

　　无刷直流电动机用位置传感器和电子换相器取代了电刷和机械换向器，有效降低了噪音，避免了火花的产生，提高了控制系统可靠性。本设计对全数字双闭环无刷直流电动机的控制系统的软、硬件都做了详细介绍，以ARM为主处理器使得整个系统的运行效率更高、性能更稳定。实验室模拟结果表明，该系统具有较好的控制可靠性、良好的动态性能及系统稳定性。