黄海波，兰建平，张 凯

(湖北汽车工业学院电气与信息工程学院，湖北十堰 442002)

0 引言

无刷直流电机(BrushlessDCMotor，BLDCM)具有输出功率大、噪声低、可靠性高、容易维护等优点，在实际中得到了广泛应用，尤其在电动车领域已成为动力驱动系统的核心。早期的无刷电机控制器多采用纯模拟电路或专用集成芯片来实现，这种设计方法不利于功能扩展和升级，功能实现受限。随着各种高性能微处理器的出现，以DSP为控制核心的无刷电机控制器得到了普遍应用[3]，尤其是集成了丰富外设的单片机，占据了无刷电机控制器CPU的主导市场[4]。

为了改善BLDCM的运行性能，在外环采用速度环的基础上，在内环引入电流负反馈来控制无刷电机的速度和输出转矩[5]。通过速度电流双闭环反馈控制，达到系统的超调小、抗干扰能力强、实时性好和运行稳定的目的。在双闭环的控制策略中，传统PID算法由于微分项对干扰非常敏感，而无刷电机多用于噪声集中的场合，因此PI控制成为当前无刷电机的主导控制策略。积分项的目的主要是为了消除静差，但在电机的起动、停止和大幅加减速的过程中，无论是速度环还是电流环，其输出都会有很大的偏差，引起PI运算的积分积累，致使控制量超过系统允许的最大输出，引起整个控制系统的超调，电机运行抖动且噪声很大，严重时会损坏电机和控制器的功率驱动部分。本文采用32位高性能单片机LPC1769芯片为核心，通过合理的硬件和软件设计，采用双闭环积分分离的控制策略，实现BLDCM的智能控制。

1 系统结构与工作原理

如图1所示，BLDCM是主要由电机本体、位置检测器、逆变器和控制器组成的机电一体化产品[6]。转子磁极的位置通过位置传感器(霍尔或光电编码器等)进行测量，控制器对位置传感器输出的位置信号进行逻辑处理，并产生相应的驱动时序，驱动时序信号以一定的规则触发逆变器中的功率器件，将电源功率以一定的逻辑关系分配给电机定子各相绕组，使电机产生持续不断的转矩。系统结构如图1所示。

图1 BLDCM控制结构

如图1所示，BLDCM控制系统主要包括:由逆变主电路、逆变功率开关驱动电路构成的功率驱动单元，以LPC1769单片机为核心的主控模块，调速把、刹车把、限速、定速巡航及液晶显示构成的人机接口电路，相电流、母线电压采集电路，转子位置检测电路等。

采用积分分离的双闭环控制策略，如图2所示，其中转速外环根据霍尔位置信号估算电机的转速，与调速设定值作差后进行控制运算的输出，作为电流内环的设定值。电流检测电路检测的电流经单片机的A/D转换后，与设定值一起进行控制运算，得到电流调节器的输出——一定占空比的PWM信号，用以控制逆变电路功率管的开/关状态，实现对电机的转速和电流的双闭环控制。

图2 BLDCM双闭环控制策略

2 系统硬件设计

2.1 单片机主电路

BLDCM控制系统的硬件结构是以单片机为核心，由单片机完成所有的信号采集、处理和控制功能。如图3所示，U+和 U－、V+和 V－、W+和W－分别作为三相逆变桥上下桥臂的驱动信号;三路霍尔信号HALLA、HALLB和HALLC送入单片机的IO捕获输入端，由于霍尔传感器输出的是漏极开漏的位置信号，必须经过上拉，并设置适当的电容进行滤波以消除毛刺;48 V的电源电压、瞬时电流、平均电流和调速把的电压信号分别送入单片机的4路A/D输入引脚，在内部进行A/D转换后进行相应的处理;过流信号和刹车信号分别送入单片机中断引脚，随时起到保护和停机作用;限速信号和巡航信号送入单片机的通用I/O口，单片机在空闲时刻通过查询对应的引脚状态来设置当前的工作状态;通过串口输出各种参数到另一单独的液晶显示电路，实时显示当前的工作状态，包括电压、电流、速度、功率等。

图3 单片机主电路

2.2 功率驱动电路

采用12只场效应管(MOSFET)P75NF75构成三相桥式逆变电路，以满足BLDCM大功率宽范围的驱动需求。其中每个桥臂有4个MOSFET，上下桥臂各2个MOSFET并联。电机三相分别接于三相桥臂的中间节点，三相绕组在电机内部呈星型连接。功率驱动单元分别采用3只IR 2110集成芯片驱动3个桥臂，由于三相的驱动电路完全相同，如图4所示，只以其中U相进行说明。按照120°电机的驱动时序，U+和U－在一个电周期内的有效信号各持续120°，且有60°的间隔区间。因此理论上当上桥臂采用PWM输出，下桥臂采用电平控制时，不存在上下桥臂直通短路现象，但在程序设计时必须插入适当的延迟和逻辑关系以确保电路的安全。当HO输出为低，LO输出为高，上管截止下管导通时，输出端与地相连，输出端相当于地;当输出HO为高，LO输出为低，上管导通下管截止时，输出端与电源相连，输出端相当于电源电压48 V。为避免上下桥臂短路烧毁，禁止HO和LO同时为高。

图4 功率驱动电路

2.3 电流采集电路

从图4可知，母线电流从电源经过其中一个桥臂的上半桥，进入一相绕组(U相)，然后经过另一桥臂的下半桥，最后经采样电阻后到达地形成整个回路。因此，电机运行过程中采样电路上的电流反映了母线电流，也同样反映了电子绕组的电流。对采样电流的实时采集是执行系统控制策略和可靠运行的重要前提。图5是电流采集电路，分三路同时进行，第一路和第二路都是比例放大电路，除了进入运放前的滤波电容不一样外，其他参数完全一样，为了降低噪声的影响，设置放大比例均为4倍多。第一路的电容C1=470 pF，只起到抑制突发噪声的作用;第二路的电容C2=0.1 μF，对采样电流进行平滑滤波。因此第一路瞬时电流反映了电流的实时变化，在软件处理时起到限流作用，使其不超过规定的电流值，第二路平均电流主要用在电流环上的控制策略中。第三路是设定的比较器，当采样电阻上的电压超过设定的阈值时，LM339输出瞬时变为低电平，比较器翻转触发单片机中断，及时关断MOS管，起到硬件保护的作用。

图5 电流采集电路

3 系统软件设计

系统软件主要分为主程序和中断服务程序。主程序主要完成参数初始化。对系统安全性和控制的实时性要求很高的功能，则在中断服务程序中进行处理。

3.1 积分分离的PI算法

当电机在起动、停止、大幅度加减速，或负载突变时，速度环和电流环被控量与设定值之间会出现较大的偏差。此时应该取消积分的作用，以免由于积分作用降低系统的稳定性，超调量增大。当被控量接近设定值时，引入积分控制，以便消除静差，提高控制精度。控制算法的程序流程如图6所示，其实现方法如下:

(1)根据电机的实际运行情况，设定阈值ξ＞0;

(2)当|E(k)|＞ξ时，采用纯粹的比例P控制，避免产生过大的超调，使系统有较快的响应;

(3)当|E(k)|≤ξ时，采用PI控制，保证系统的控制精度。

图6 积分分离控制算法流程图

系统采用的积分分离控制算法可简单表示为

式中:T——采样时间，控制算法的计算周期;

β——积分项的开关系数，当|E(k)|≤ξ时，β=1，否则 β=0。

3.2 中断服务程序

中断服务程序是程序设计的核心部分，从功能上分为两部分:系统保护程序，负责对过流、刹车、过压/欠压等保护信号处理;电机驱动控制程序，完成电机驱动的一系列处理和控制操作。在进入中断服务程序时，首先进行保护信号的检测，当发生安全事故时，程序跳入系统保护程序，系统停机。将刹车也放在保护程序里进行处理，是因为刹车后对电机有同样的处理措施。

3.2.1 系统保护程序

系统设定了过流、刹车、过压/欠压等故障信号检测，其中过流和刹车是单片机LPC1769的IO引脚中断直接引起的，起到实时保护的作用。过压/欠压信号是在主程序对电压信号A/D采集后与设定的阈值比较后产生的A/D中断。当发生故障时，调用中断保护的故障处理子程序，关闭PWM信号输出并做停机处理。如果没有发生故障，系统即进入正常的电机驱动程序。

3.2.2 电机驱动程序

电机驱动程序主要围绕图2中速度电流双闭环的控制策略进行设计。其中转速环包含位置检测模块、转速估算模块、速度调节模块。速度估算模块根据位置检测模块的中断标志信号、位置信息和软件时间估算出当前电机转速，将反馈速度送入速度调节器与给定速度相比较，并进行积分分离的PI调节，实现速度环的调节作用。速度调节器的输出为电流环的设定参考值。

电流环包含电流采样模块、电流调节器、PWM发生模块。电流采样模块根据当前转子位置状态采样相应的电流，包括平均电流和瞬时电流，将平均电流送入电流调节器与参考电流相比较，并进行积分分离的PI调节，实现电流环的调节作用。用电流调节器的输出去控制PWM发生器的占空比。同时，在任意时刻当瞬时电流的幅值超过设定的阈值时，必须适当降低PWM占空比，起到限流保护的作用。整个电机的驱动程序流程如图7所示。

图7 电机驱动程序流程图

转子位置检测程序对驱动程序非常重要。转子位置信息为转速估算程序、电流采样程序、PWM导通关断逻辑提供重要信息。转子位置检测与转速估算流程图如图8所示。在系统初始化时，即将3路霍尔信号对应的I/O口设置为边沿有效捕捉状态。当反映转子位置的霍尔信号发生改变(上跳或下跳)时，对应的三路I/O口捕捉中断标志位置位。在中断服务程序中查询该标志位，一旦有效即将I/O口设置为输入口，读入当前位置状态值，保存到位置变量，完成位置检测。然后再将I/O口设置为捕捉状态，为下次霍尔信号跳变捕捉做准备。根据I/O口捕捉中断标志位有效与否，判断是否执行电机转速估算子程序，通过起停通用定时器4的计数值来测量任意两次位置变化之间的时间间隔。由于一个机械周期包括6个电周期，因此利用公式n=1/(6pΔT)计算电机转速，其中p为电机的极对数，ΔT为定时器的计时差值。对估算出的转速进行平滑滤波后，即进行积分分离的速度PI调节。

图8 位置检测与转速估算流程图

为了实时对电流进行采样，一旦系统进入电机驱动服务程序，即通过软件触发A/D对瞬时电流和平均电流进行转换。当执行转速估算和转速调节后，从A/D缓冲区直接读取电流值，进行电流调节和限流保护。PWM发生模块根据电流调节器的输出调节PWM波的占空比，根据位置检测值，通过查询开关管导通逻辑表，确定导通相序，改变 PWM寄存器 ACTRB的值，实现电机换相。

4 系统测试

采用80BL145－440 BLDCM，额定参数为电压48 V，功率550 W，转速 4 500 r/min，1.8 N·m。分别检验了控制系统的霍尔位置信号检测模块、转速估算模块、PWM发生模块、过流保护模块、电压采集模块、电机信息显示模块、单片机和系统板供电模块以及刹车、巡航、限速、调速把模块。

经过反复测试，设定速度电流的调节周期T=20 ms，积分分离的速度阈值 ξ1=150 r/min，电流阈值ξ2=3.5 A时，各项功能模块均工作正常，电机起动平稳，加速平滑，且电机在4 500 r/min范围内转速任意可调;人为增加电源电压到52 V以上和降低电源电压到42 V以下时，过压和欠压保护均得到实现;在运行过程中突加负载导致电机堵转过流时，系统立即进行过流保护;当转速把设定转速保持8 s不变时，电机进入巡航状态;通过示波器观测到的霍尔信号、PWM发生信号、采样电流等均稳定且噪声很小，说明电路设计可靠，系统工作正常。

5 结语

通过软硬件的设计与调试，设计了以LPC1769单片机为核心的BLDCM控制系统。针对额定电压为48 V，额定功率为550 W的BLDCM进行安装调试，完成BLDCM的调速、刹车、定速巡航、限速等功能性要求和过压/欠压保护、过流保护等安全性要求。试验结果表明，该系统体积小、重量轻、精度高，相比传统模拟控制器具有更大的灵活性、可靠性，稍加改进可应用于电动自行车或电动摩托车BLDCM的驱动控制。

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