趙成剛，李菲，吳耀春
(安陽工學院機械工程系)
摘要：以A3936芯片作為電機控制器，實現了無刷直流電機電流與速度的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)方案。由于A3936是功率DMOs器件柵極驅動型集成電路，因此在硬件上簡化電路設計，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、過流保護功能，日成本低，實用價值高．
關鍵詞：無刷直流電機；驅動電路；雙閉環(huán)
中圖分類號：TM36+1 文獻標志碼：A 文章編號：1001—6848（2010）08一0090—03
0 引 言
無刷直流電機(BLDcM)具有高速度、高效率、高動態(tài)響應和高可靠性等優(yōu)點，同時其噪聲低，壽命長且成本低，因此得到了廣泛應用。目前它已廣泛應用于航模、醫(yī)療儀器、材料處理、機床工業(yè)、紡織工業(yè)和輕工業(yè)等各種領域。BLDcM通常由三相六開關PwM電路控制：隨著自動化技術的發(fā)展，實際應用領域對BLDcM控制系統(tǒng)也提出了一些特殊的要求，體積小、重量輕已成為現代電機控制研究中的一個熱點。這就要求設計者在設汁控制電路時，在保證電機控制的可靠性的前提下必須使用較少的元器件和較簡單的電路{1}。本文介紹一種以無刷直流電機專用驅動芯片A3936與AvR單片機為核心的電機控制系統(tǒng)，A3936專用驅動芯片的使用使控制電路變得簡單，整個系統(tǒng)結構緊湊。
1系統(tǒng)的硬件設計
系統(tǒng)的硬件結構如框圖1所示，選擇了Atma—gaj8單片機作為整個系統(tǒng)的控制核心，速度轉換模塊形成速度閉環(huán)，電流轉換模塊形成電流閉環(huán)，而有關電機的所有控制功能全部交給號用驅動芯片A3936來完成：{2}。單片機主要接收上位Pc機對電機的控制參數，檢測電機速度控制脈沖信號，按照速度閉環(huán)和電流閉環(huán)的控制算法產生PwM速度控制信號，輸出給A3936電機控制器，以控制驅動電機的速度。A3936電機控制器，完成電機的全部控制，內部欠壓鎖定(uvL0)及過熱關機電路，可以實現對控制電機的保護。
1.1A3936驅動控制電路設計
A3936是為三相無傳感器無刷直流電機驅動而設計的專用控制芯片，具有控制星形或三角形連接的無刷直流電機所需要的全部功能”。。。主要功能包括：電機啟動、電機正反轉向控制、PwM速度控制、制動控制和交叉電流保護等功能。A3936電機驅動控制電路如圖2。
電機啟動：驅動電路工作時，A3936可根據霍爾傳感器檢測到電機轉子的當前位置，依照定子繞組決定開啟或關閉內部功率晶體管的順序，使電流依序流經電機線繞組，以產生順向或逆向旋轉磁場，并與轉子的磁鐵相互作用，使電機順時針或逆時針轉動，轉動方向的控制由DIR引腳，置高正向轉動，置低反向轉動。
電機的PwM調速：電機驅動所需要的PwM信號由單片機控制，經ENABLE引腳流入，TAcH引腳對應電機內部的霍爾元件，當電機轉動時有脈沖信號輸出，單片機的定時計數器采集該脈沖信號，便進入了PwM模式的閉環(huán)運行狀態(tài)，在本系統(tǒng)中，ENABLE、TAcH分別與單片機的PBl口、PD5口相連。電機加速時，T／c1采集到的脈沖信號的頻率經過換算后與產生PwM信號的頻率差值增大，增加ENABLE引腳的PwM脈寬，電機加速，同時T/c1采集脈沖的頻率逐漸接近PwM信號的頻率，當兩頻率相等時電機平穩(wěn)運行。電機減速過程相反。PwM的頻率只要不超過50 kHz，都能滿足，本設計中選擇5 kHz。
電機制動：電機的急停對電機及負載都會造成損害。A3936內部集成固定關斷時間的電流控制電路來實現電機制動功能，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到電機制動。BRAKE引腳置高，PFD2、PFDl引腳分別取11，快衰減緊急制動；10，以48％的速率衰減制動；叭，以15％的速率衰減制動；oo，慢衰減制動。在本系統(tǒng)中，選擇PFD2PFDl為Ol，以15％的速率衰減制動。
電機的保護：當電機負載過大時會發(fā)生堵轉，導致電機或驅動電路的燒毀。在A3936中集成有一個比較放大電路，驅動電流經過該電路可以與REF引腳設定的預置電壓，進行比較，超過設定值驅動控制電路自動斷電，從而起到保護作用。在本設計中預置電壓設定為1．5 v。
1.2電流檢測電路設計
為了檢測到準確的相電流反饋值，用一個O．05Ω無感精密電阻(見圖2中的R1)作為一個電流傳感器，將其安放在母線回路上。采樣電阻將電流信號轉換為電壓信號，電壓信號經運算放大電路進行放大送到單片機的A／D轉換器。
2系統(tǒng)的控制策略與軟件設計
2．1系統(tǒng)控制策略
由無刷直流電機的數學模型可知，其轉速與電壓成正比，轉矩與相電流成正比。為了達到控制精度和動態(tài)性能，本系統(tǒng)選用轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。電流環(huán)采用PI調節(jié)器，速度環(huán)采用PID控制算法，它具有良好的起動和抗干擾性能，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直接由單片機的定時計數器T／cl采集，根據采集脈沖的頻率可以計算出電機運行速度。此速度作為速度參考值的反饋量，與上位Pc機設定的轉速比較后，經增量式限幅PID調節(jié)，將輸出值作為電流環(huán)給定值。該值與采樣得到的電機母線電流值比較，然后采用PI增量調節(jié)方式，實時調節(jié)單片機輸出的PwM占空比，改變施加與電機上的電壓，達到電機調速的目的。
2.2軟件設計
根據系統(tǒng)的控制策略，可以得出整個控制系統(tǒng)軟件由主程序和INT3中斷服務程序組成。流程圖如圖4所示。
軟件采用模塊化設計。主程序中，執(zhí)行初始化模塊，主要完成系統(tǒng)時鐘、看門狗、T3中斷、事件管理器的各個寄存器及其中斷的設置，以及軟件中各個變量的初始化。執(zhí)行完初始化后，體統(tǒng)進入循環(huán)等待T3中斷。
在INT3中斷子程序中，主要包括：A／D轉換模塊，利用megal8內部的A／D轉換單元完成相電流的A／D轉換；PID模塊，實現數字PID算法，對轉速誤差和電流誤差進行調節(jié)計算，控制PWM信號的占空比；PWM波形發(fā)生模塊，通過megal8內部的事件管理器模塊的PWM波形發(fā)生器，將定時器T1設置成連續(xù)加1計數模式，對應20 kHz的PWM頻率計，計數周期設成50 Us。
3結語
為了驗證和分析控制系統(tǒng)的性能，選用了一臺瑞士Maxon公司生產的RE系列電機作為樣機進行試驗。該樣機額定功率126 w，額定轉速7580 r／min。結果表明該系統(tǒng)實現了無刷直流電機的控制，由于A3936電機專用芯片的使用，讓整個結構簡單易于實現復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改善低速性能，取得了良好的控制精度、動態(tài)性能和較寬的調速范圍，實現了實時控制，同時結構簡單，運行可靠，具有較高的實用價值。
|
