趙成剛，李菲，吳耀春
(安陽(yáng)工學(xué)院機(jī)械工程系)
摘要：以A3936芯片作為電機(jī)控制器，實(shí)現(xiàn)了無(wú)刷直流電機(jī)電流與速度的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)方案。由于A3936是功率DMOs器件柵極驅(qū)動(dòng)型集成電路，因此在硬件上簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，軟件上采用了雙閉環(huán)控制，提高了系統(tǒng)的可靠性；此外還具有欠壓、過(guò)流保護(hù)功能，日成本低，實(shí)用價(jià)值高．
關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電機(jī)；驅(qū)動(dòng)電路；雙閉環(huán)
中圖分類號(hào)：TM36+1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001—6848（2010）08一0090—03
0 引 言
無(wú)刷直流電機(jī)(BLDcM)具有高速度、高效率、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)其噪聲低，壽命長(zhǎng)且成本低，因此得到了廣泛應(yīng)用。目前它已廣泛應(yīng)用于航模、醫(yī)療儀器、材料處理、機(jī)床工業(yè)、紡織工業(yè)和輕工業(yè)等各種領(lǐng)域。BLDcM通常由三相六開(kāi)關(guān)PwM電路控制：隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域?qū)LDcM控制系統(tǒng)也提出了一些特殊的要求，體積小、重量輕已成為現(xiàn)代電機(jī)控制研究中的一個(gè)熱點(diǎn)。這就要求設(shè)計(jì)者在設(shè)汁控制電路時(shí)，在保證電機(jī)控制的可靠性的前提下必須使用較少的元器件和較簡(jiǎn)單的電路{1}。本文介紹一種以無(wú)刷直流電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片A3936與AvR單片機(jī)為核心的電機(jī)控制系統(tǒng)，A3936專用驅(qū)動(dòng)芯片的使用使控制電路變得簡(jiǎn)單，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊。
1系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如框圖1所示，選擇了Atma—gaj8單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，速度轉(zhuǎn)換模塊形成速度閉環(huán)，電流轉(zhuǎn)換模塊形成電流閉環(huán)，而有關(guān)電機(jī)的所有控制功能全部交給號(hào)用驅(qū)動(dòng)芯片A3936來(lái)完成：{2}。單片機(jī)主要接收上位Pc機(jī)對(duì)電機(jī)的控制參數(shù)，檢測(cè)電機(jī)速度控制脈沖信號(hào)，按照速度閉環(huán)和電流閉環(huán)的控制算法產(chǎn)生PwM速度控制信號(hào)，輸出給A3936電機(jī)控制器，以控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度。A3936電機(jī)控制器，完成電機(jī)的全部控制，內(nèi)部欠壓鎖定(uvL0)及過(guò)熱關(guān)機(jī)電路，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)控制電機(jī)的保護(hù)。
1.1A3936驅(qū)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)
A3936是為三相無(wú)傳感器無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)而設(shè)計(jì)的專用控制芯片，具有控制星形或三角形連接的無(wú)刷直流電機(jī)所需要的全部功能”。。。主要功能包括：電機(jī)啟動(dòng)、電機(jī)正反轉(zhuǎn)向控制、PwM速度控制、制動(dòng)控制和交叉電流保護(hù)等功能。A3936電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路如圖2。
電機(jī)啟動(dòng)：驅(qū)動(dòng)電路工作時(shí)，A3936可根據(jù)霍爾傳感器檢測(cè)到電機(jī)轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位置，依照定子繞組決定開(kāi)啟或關(guān)閉內(nèi)部功率晶體管的順序，使電流依序流經(jīng)電機(jī)線繞組，以產(chǎn)生順向或逆向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，并與轉(zhuǎn)子的磁鐵相互作用，使電機(jī)順時(shí)針或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)方向的控制由DIR引腳，置高正向轉(zhuǎn)動(dòng)，置低反向轉(zhuǎn)動(dòng)。
電機(jī)的PwM調(diào)速：電機(jī)驅(qū)動(dòng)所需要的PwM信號(hào)由單片機(jī)控制，經(jīng)ENABLE引腳流入，TAcH引腳對(duì)應(yīng)電機(jī)內(nèi)部的霍爾元件，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)有脈沖信號(hào)輸出，單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)器采集該脈沖信號(hào)，便進(jìn)入了PwM模式的閉環(huán)運(yùn)行狀態(tài)，在本系統(tǒng)中，ENABLE、TAcH分別與單片機(jī)的PBl口、PD5口相連。電機(jī)加速時(shí)，T／c1采集到的脈沖信號(hào)的頻率經(jīng)過(guò)換算后與產(chǎn)生PwM信號(hào)的頻率差值增大，增加ENABLE引腳的PwM脈寬，電機(jī)加速，同時(shí)T/c1采集脈沖的頻率逐漸接近PwM信號(hào)的頻率，當(dāng)兩頻率相等時(shí)電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。電機(jī)減速過(guò)程相反。PwM的頻率只要不超過(guò)50 kHz，都能滿足，本設(shè)計(jì)中選擇5 kHz。
電機(jī)制動(dòng)：電機(jī)的急停對(duì)電機(jī)及負(fù)載都會(huì)造成損害。A3936內(nèi)部集成固定關(guān)斷時(shí)間的電流控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)制動(dòng)功能，可配置為混合、快速及慢速三種電流衰減模式，以不同的衰減速度達(dá)到電機(jī)制動(dòng)。BRAKE引腳置高，PFD2、PFDl引腳分別取11，快衰減緊急制動(dòng)；10，以48％的速率衰減制動(dòng)；叭，以15％的速率衰減制動(dòng)；oo，慢衰減制動(dòng)。在本系統(tǒng)中，選擇PFD2PFDl為Ol，以15％的速率衰減制動(dòng)。
電機(jī)的保護(hù)：當(dāng)電機(jī)負(fù)載過(guò)大時(shí)會(huì)發(fā)生堵轉(zhuǎn)，導(dǎo)致電機(jī)或驅(qū)動(dòng)電路的燒毀。在A3936中集成有一個(gè)比較放大電路，驅(qū)動(dòng)電流經(jīng)過(guò)該電路可以與REF引腳設(shè)定的預(yù)置電壓，進(jìn)行比較，超過(guò)設(shè)定值驅(qū)動(dòng)控制電路自動(dòng)斷電，從而起到保護(hù)作用。在本設(shè)計(jì)中預(yù)置電壓設(shè)定為1．5 v。
1.2電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)
為了檢測(cè)到準(zhǔn)確的相電流反饋值，用一個(gè)O．05Ω無(wú)感精密電阻(見(jiàn)圖2中的R1)作為一個(gè)電流傳感器，將其安放在母線回路上。采樣電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大電路進(jìn)行放大送到單片機(jī)的A／D轉(zhuǎn)換器。
2系統(tǒng)的控制策略與軟件設(shè)計(jì)
2．1系統(tǒng)控制策略
由無(wú)刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可知，其轉(zhuǎn)速與電壓成正比，轉(zhuǎn)矩與相電流成正比。為了達(dá)到控制精度和動(dòng)態(tài)性能，本系統(tǒng)選用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。電流環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，速度環(huán)采用PID控制算法，它具有良好的起動(dòng)和抗干擾性能，可以滿足本系統(tǒng)的需要．控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。
在此控制方案中，TAcH引腳輸出的脈沖信號(hào)直接由單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)器T／cl采集，根據(jù)采集脈沖的頻率可以計(jì)算出電機(jī)運(yùn)行速度。此速度作為速度參考值的反饋量，與上位Pc機(jī)設(shè)定的轉(zhuǎn)速比較后，經(jīng)增量式限幅PID調(diào)節(jié)，將輸出值作為電流環(huán)給定值。該值與采樣得到的電機(jī)母線電流值比較，然后采用PI增量調(diào)節(jié)方式，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)單片機(jī)輸出的PwM占空比，改變施加與電機(jī)上的電壓，達(dá)到電機(jī)調(diào)速的目的。
2.2軟件設(shè)計(jì)
根據(jù)系統(tǒng)的控制策略，可以得出整個(gè)控制系統(tǒng)軟件由主程序和INT3中斷服務(wù)程序組成。流程圖如圖4所示。
軟件采用模塊化設(shè)計(jì)。主程序中，執(zhí)行初始化模塊，主要完成系統(tǒng)時(shí)鐘、看門狗、T3中斷、事件管理器的各個(gè)寄存器及其中斷的設(shè)置，以及軟件中各個(gè)變量的初始化。執(zhí)行完初始化后，體統(tǒng)進(jìn)入循環(huán)等待T3中斷。
在INT3中斷子程序中，主要包括：A／D轉(zhuǎn)換模塊，利用megal8內(nèi)部的A／D轉(zhuǎn)換單元完成相電流的A／D轉(zhuǎn)換；PID模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)字PID算法，對(duì)轉(zhuǎn)速誤差和電流誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算，控制PWM信號(hào)的占空比；PWM波形發(fā)生模塊，通過(guò)megal8內(nèi)部的事件管理器模塊的PWM波形發(fā)生器，將定時(shí)器T1設(shè)置成連續(xù)加1計(jì)數(shù)模式，對(duì)應(yīng)20 kHz的PWM頻率計(jì)，計(jì)數(shù)周期設(shè)成50 Us。
3結(jié)語(yǔ)
為了驗(yàn)證和分析控制系統(tǒng)的性能，選用了一臺(tái)瑞士Maxon公司生產(chǎn)的RE系列電機(jī)作為樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。該樣機(jī)額定功率126 w，額定轉(zhuǎn)速7580 r／min。結(jié)果表明該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無(wú)刷直流電機(jī)的控制，由于A3936電機(jī)專用芯片的使用，讓整個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制方法以提高系統(tǒng)性能。采用方波和PWM方式減少了力矩波動(dòng)改善低速性能，取得了良好的控制精度、動(dòng)態(tài)性能和較寬的調(diào)速范圍，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)控制，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，具有較高的實(shí)用價(jià)值。
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