基于ARM的无位置传感器无刷直流电机控制器设计

1、文章编号:1004-289X (201004-0029-02基金项目:安徽工程科技学院青年科研基金(2006YQ045基于AR M 的无位置传感器无刷直流电机控制器设计娄柯(安徽工程科技学院安徽省电气传动与控制重点实验室,安徽 芜湖 241000摘 要:针对无位置传感器无刷直流电机的控制特点,充分利用AR M 芯片L M 3S617高性能的32位运算能力和丰富的硬件资源,对转子位置进行快速准确的检测,实现电机平稳运行。该系统结构简单,运行可靠,调速性能良好。关键词:无刷直流电机;无位置传感器;ARM 中图分类号:TM 33 文献标识码:BD esign of Sensorless Brush

2、l ess DC M otor Controller Based on ARMLOU K e(Anhui K ey Laboratory of E lectric and Contro,l Anhu iUn iv .o f Techn .and Sc.i ,W uhu 241000,Ch inaAbstract :A ccordi n g to the contro l characteristic o f a sensorless brushlessDC m otor ,high perfor m ance opera ti o na l ab ility o f32bit and r i

3、c h hardw are resources o fAR M ch i p L M 3S617are m ade full use of to quick l y and accurately test the ro to r positi o n ,m ak i n g t h e m otor s m oo th operation .The syste m is si m p le in structure ,re liable i n operati o n and fine speed regu l a ti n g perfor m ance .K ey words :brush

4、less DC m o tor ;sensorless ;ARM 1 引言无位置传感器无刷直流电机控制器的难点在于转子位置信号的检测,目前国内外研究人员提出了诸多方法,其中反电动势法最为简单、可靠,应用范围最广泛。控制芯片普遍采用T I 公司2000系列芯片或者单片机,但是分别具有价格高、体积大或者是性能较弱的缺点1,2。本文介绍基于ARM 芯片LM 3S617检测反电动势法的无位置传感器无刷直流电机的控制方案,充分利用LM 3S617丰富的片上资源和高速32位运算性能,快速准确检测转子位置,提高控制器的可靠性。同时L M 3S617芯片体积小、价格低使控制器具有低成本的优点。无刷直流电机工作

5、原理以及反电势法实现无位置传感器运行的工作原理见文献1。2 硬件电路设计2 1 选择LM 3S617芯片的优点反电势过零点法需要检测电机的端电压,当电机转速较高时需要进行快速的AD 转换,因此AD 转换的速度和精度决定了控制器设计的可行性和性能。L M 3S617芯片的ADC 的采样率为500,000次采样/s ,并且有4个可编程的采样转换序列,每个序列均带有相应的转换结果FI FO,硬件可对多达64个采样值进行平均计算,提高检测精度;L M 3S617芯片的P WM 模块可以产生6路16位P WM,可在P WM 的不同时刻产生中断,直接触发AD 转换,无需中断程序触发;L M 3S617芯片

6、具有基于哈佛架构的3级流水线内核,该内核集成了分支预测、单周期乘法、硬件除法等众多功能强大的特性3。综上所述,L M 3S617芯片快速准确的ADC 和高性能的32位运算能力以及低廉的价格非常适合应用于无刷直流电机的无位置传感器控制。2 2 硬件电路设计系统的硬件结构框图如图3所示。以L M 3S617微控制器为核心,逆变桥及其驱动电路、端电压检测电路、电流检测电路、输入输出电路等组成。系统电源为12V 电池组,直接供给逆变桥主电路。端电压检测通过分压采样,必须设置好电阻的分压比使ADC 输入信号范围为03 3V,同时为了避免信号产生延时,不对端电压波形用硬件进行明显滤波,而是由软件根据P W

7、M 波形仔细地选取信号采样点,排除P WM开关噪声的影响。 图1 系统硬件框图 功率驱动电路为三相全控桥,功率MOSFET 管采用I R FZ44N,前置驱动器采用I R2132。I R 2132具有独立的3个上测和下侧驱动器,能方便驱动三相全控桥,并有过电流保护等功能。L M 3S617的6路P WM 输出与I R 2132的6路输入直接连接,I R 2132的输出通过电阻与I R FZ44N 的控制极相连。3 软件设计软件主要有初始化程序、电机起动程序、端电压检测及换相程序、电压和电流保护程序等组成。其中端电压检测程序最为关键,需注意两个问题:(1ADC 检测时刻应与P WM 同步,并选择

8、P WM 开通时间的中点为佳,以避开开关状态的瞬态电压噪声;(2应舍弃换相后的最初几个反电势采样点,因为换相后绕组电流不会立即为零,要经过一个续流过程下降为零。使用定时器0记录连续监测到两个端电压过零点的时间,除以2即为30!电角度的时间,把此时间装载到定时器1中,定时器1经过30!电角度时间触发中断,调用换相子程序进行电子换相。程序流程图如图2所示。 图2 端电压检测程序4 实验结果和结论实验样机采用长沙方圆模型厂生产的无传感器无刷直流电机,型号1208436,额定参数如下,转速:4100r/V,2对极;最大电流:4A;内阻:0 59 ;空载电流:0 3A 。图3为电机端电压波形,从图中看出

9、换相时间为0 6m s 左右。根据电机额定参数计算换相时间为0 609m s(60!电角度,可见换相时间比较准确,电机能够可靠平稳运行。图3 电机端电压波形(横坐标1m s/格,纵坐标5v /格参考文献1 娄柯,施火泉.基于C 8051F 单片机的无位置传感器无刷直流电机的控制J.电机与控制应用,2006,3:45-49.2 娄柯.微型无刷直流电机的无位置传感器控制J.电子技术.2009,9:28-29.3 L M 3S617微控制器数据手册Z.广州:广州致远电子有限公司,2006.4 董富红,沈艳霞,纪志成.永磁无刷直流电机无位置传感器估计方法综述J.微电机,2008,36(5:39-46.

10、收稿日期:2009-10-05作者简介:娄柯(1979-,男,讲师,主要从事电力电子及电气传动控制方面的研究。(上接第28页调整,以满足实时控制的要求。要使PI 参数能够在线实时调整,需要用到各种智能PI 控制方法,例如模糊PI D 、神经网络PI D 、专家PI D 控制以及基于遗传算法的PI D 控制等,但是这些方法又增加了算法的复杂性,限制了这些方法的应用。但PI 控制仍旧是无刷直流电机控制系统一种很好的选择方案。参考文献1 张探.直流无刷电动机原理及应用M .2版.北京,机械工业出版社,2004.2 张伟雄,陈亮,徐光辉.DSP 芯片的原理与开发应用M .北京:电子工业出版社,2003.3 刘贺平,汪芳君,张春梅.基于DSP 的直流无刷电机数字控