摘要：為了實現(xiàn)無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)的精確控制性能，應用xcl67cIMcu建立了全數(shù)字雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。介紹了調(diào)速系統(tǒng)的硬件結(jié)構及軟件設計流程。經(jīng)實驗檢驗，控制結(jié)構清晰，系統(tǒng)響應速度快，穩(wěn)定性好，有實際工程應用價值。
關鍵詞：無刷直流電機；數(shù)控系統(tǒng)；硬件設計；軟件設計；實驗
1系統(tǒng)硬件設計
無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)由主電路和控制電路組成。主電路包括驅(qū)動電路、逆變電路以及各種信號檢測電路�？刂齐娐芬詘cl67cI為核心，通過cAN通信接口和上位機之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和控制功能。
1．1 xcl67cI獨具特色的霍爾傳感器模式
對于無刷直流電機，xcl67cI提供了多通道模式，產(chǎn)生調(diào)制序列，以控制電機正常工作。調(diào)制序列必須根據(jù)電機的角度位置相應產(chǎn)生。通常使用霍爾傳感器或反電動勢來檢測轉(zhuǎn)子的角度位置。
xcl67cI的捕獲／比較單元6(cAPcOM6)的3個輸入，即cc6POs0、cc6P0s1、cc6P0s2可用作霍爾傳感器或反電動勢檢測信號的輸入。當電動機轉(zhuǎn)動到某個位置時，由霍爾傳感器的輸入采樣(霍爾序列)表示當前位置，接下來必須輸出預先確定的調(diào)制序列。
cAPcOM6通過特定的寄存器實現(xiàn)了該特性。
該寄存器中存放著當前實際的霍爾序列(cuRH)、下次期望的霍爾序列(ExPH)以及相應的輸出序列(McMP)。當采樣的霍爾序列和期望序列匹配時，輸出新的調(diào)制序列。在霍爾傳感器模式下，通過雙寄存器機構控制霍爾和調(diào)制序列的產(chǎn)生。寄存器McMOuT中存放著實際使用的值；映射寄存器McMOuTs中存放著取自預定義表的正確的霍爾序列和調(diào)制序列(針對給定電動機)。當檢測到正確的霍爾序列跳變時，即霍爾序列采樣和期望序列相匹配時，映射寄存器的內(nèi)容映射傳送到寄存器McM0uT中，接著用戶編程將新值也裝入該寄存器中。
1．2主電路設計
主電路采用典型的三相全控電路，。兩兩導通方式。驅(qū)動電路采用BT7960B驅(qū)動芯片。
它是一塊電機專用的驅(qū)動芯片，具有高集成度，可承受大電流等特點。在一個封裝中包含了一個上橋臂的P溝道MOsFET模塊、一個下橋臂N溝道M0sFFT模塊和一個集成控制模塊。集成控制模塊的外部端口可以和控制芯片相連接，用于接受邏輯電平的輸入，檢測電流，控制死區(qū)時間，完成過溫、過壓、欠壓、過流和短路保護。在此系統(tǒng)設計中，采用了3塊BTs7960B來完成對三相無刷直流電機的驅(qū)動。圖1為實際的驅(qū)動電路。
1．3控制電路設計
控制電路主要由XCl67CI微處理器、CAN通信、AD采樣、PWM信號輸出、信號檢測等部分組成。系統(tǒng)采用XCl67CI微處理器作為主控芯片，主要完成控制算法的計算以及PWM波形的產(chǎn)生、信號檢測、故障保護及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?BR> 1)電流檢測電路
在本無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)中，主回路采用兩兩導通的方式。因此，通過檢測三相逆變電路直流側(cè)電流作為電流閉環(huán)的檢測值，以此來控制電機。本系統(tǒng)采用LEM LTSR4霍爾傳感器檢測電流。該傳感器具有3個不同的測量范圍，改變LEM傳感器的引腳接法即可以改變量程。
LEM傳感器的REF管腳負責提供一個參考電壓，該電壓將隨著溫度的變化而變化，其變化幅度與V0管腳受溫度影響而產(chǎn)生的變化幅度相同。
因此，通過計算這兩個管腳的輸出電壓差值，就可以減小溫度漂移帶來的誤差，省去溫漂補償電路。應用LEM傳感器進行電流檢測的原理如圖2所示。
2)轉(zhuǎn)速檢測電路
系統(tǒng)采用M／T法測速。檢測轉(zhuǎn)速的傳感器是增量式光電編碼器。圖3為測速電路原理。碼盤送出的差分信號經(jīng)過差分芯片輸出兩路信號，再經(jīng)過濾波、整形送人XCl67CI的定時器模塊GPTl和捕獲比較單元CAPCOM2。兩組信號都送人單片機進行4倍頻處理，用以提高計數(shù)精度，同時將A0分別送給CAPCOM2的兩個捕抓腳，用于捕抓兩個引腳上跳沿，同時記錄對應定時器的值，以保持其計數(shù)的同步性。
3)保護電路
故障保護功能同樣由BTS7960B來實現(xiàn)；主要完成過溫、過壓、欠壓、過流和短路保護。當異常情況發(fā)生時迅速通過IS管腳給出報警信號，經(jīng)轉(zhuǎn)換后連接到XCl67CI芯片功率驅(qū)動保護管腳，CPU會將PWM輸出引腳置為高阻態(tài)，同時申請中斷對故障作進一步的處理。
4)CAN通信電路為方便控制電機運行狀態(tài)和觀察電機運行過程中的各項參數(shù)，控制器與上位機間需要進行數(shù)據(jù)的交換。本系統(tǒng)中，上位機與XCl67CI之間通過一塊USBCAN，以CAN總線方式進行通信。
2軟件設計
整個系統(tǒng)的控制軟件由下位機控制程序和上位機監(jiān)控程序共同組成。上下位機之間的數(shù)據(jù)傳輸由CAN總線完成。其中上位機控制程序主要完成起動、停止、正反轉(zhuǎn)切換等功能，并且可以在電機停止運行時，離線修改兩個PI環(huán)的參數(shù)，便于試驗調(diào)試。下位機控制程序是系統(tǒng)的核心。它由主程序和6個中斷服務程序組成。主程序主要用來完成內(nèi)部控制寄存器的初始化和中斷設置的初始化。其流程圖如圖4所示。中斷服務子程序包括：PWM定時中斷子程序，通信中斷服務子程序、A／D采樣中斷服務子程序、測速定時中斷子程序、測速捕抓中斷子程序和霍爾事件處理中斷子程序等。其中PWM定時中斷子程序流程如圖5所示。
3試驗結(jié)果
試驗樣機采用MAXON公司的無刷直流電機型號：EC。IYlaX 30；額定電壓為24 V。系統(tǒng)的試驗波形由DA芯片輸出，并通過示波器TDS3052來觀測。圖6為系統(tǒng)由靜止突加給定到6 000 r／min時的轉(zhuǎn)速波形。圖7為系統(tǒng)由3 000 r／min升速到8 000 r／min~10 000 r／rain，然后減速自8 000 r／rain再到3 000 r／min時的波形。
4結(jié)語
xcl67cI具有很高的運算速度和計算能力，兵有靈活的中斷設定方式，外設資源豐富，并且可以利用DAVE等開發(fā)工具協(xié)助開發(fā)，可以大大提高系統(tǒng)的開發(fā)效率。本文基于速度、電流雙閉環(huán)結(jié)構的無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)性能穩(wěn)定，在實際工程應用中有重要意義。試驗結(jié)果證明了該系統(tǒng)的正確性和可行性。
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