摘 要： 為了滿足對無刷直流電機快速、平穩、準確調速的要求，設計了一種以Cortex_M3內核為平臺的無刷直流電機（BLDC）控制系統，并實現了該控制系統的硬件及軟件部分。運用操作系統FreeRTOS實時調度任務，采用速度、電流雙PID控制算法，形成無刷電機的雙環實時控制。為了更加有效地降低轉矩脈動，實現了一種12扇區無磁鏈觀測的二三導通模式直接轉矩控制。試驗結果證明，該控制系統響應速度快、調速范圍廣且精度高、性能穩定可靠、成本和功耗皆低，應用前景十分廣泛。
0 引言
近些年來，隨著控制理論及電子技術的迅速發展，無刷電機電子換相逐漸取代了傳統的有刷直流電機的機械換相[1-2]。本文提出在中小功率的無刷電機的控制系統中采用ST公司以Cortex—M3為內核的STM32f103作為核心處理器，它自身帶有反電動勢檢測功能，專門用于電機控制的外設，簡化了外圍電機控制系統的設計，使其成本大幅降低。
由于無刷直流電動機的控制技術仍不成熟，為降低轉矩脈動，對轉矩的控制成為了研究的新方向。傳統直接轉矩控制方法通過優選的電壓矢量對電機定子磁鏈和轉矩直接進行調節，實現了對電機轉矩的直接控制[3-4]。在無刷直流電機直接轉矩控制中，由于反電勢為方波，常用的導通方式是120°導通方式，對應的空間電壓矢量的選擇與傳統的電壓矢量也不同[5]。為了更加有效地降低轉矩脈動，本文實現一種12扇區無磁鏈觀測的二三導通模式直接轉矩控制[6]。
1 系統設計及工作原理
該控制系統主要包含輸入保護電路、MOSFET驅動、模數轉換、采樣保持、電池充電檢測、電子剎車、電流保護、通信模塊。該控制系統結構如圖1所示。
系統工作原理及功能如下：使用FreeRTOS操作系統建立4個任務設定優先級：AD檢測任務、串口通信任務、模式及速度控制任務、故障報警指示任務。AD檢測任務每2 ms執行一次，若有過流、長時間堵轉或其他突發性故障，故障指示燈將報警并關斷輸出停止電機運行。若無上述故障，則處理器將根據人機界面通過串口發送來的信號進行解碼，然后設置相應的轉子速度及運行模式。根據定時器中斷捕獲到霍爾的變化，分析電機轉子的位置，然后根據定子轉動方向來控制功率管的開關順序，控制電機的轉動方向和速度[7]。
2 硬件設計
2.1 STM32f103簡介
STM32是32位處理器，工作頻率高達72 MHz，速度達120 MIPS，內部集成多路高精度12位AD，6個普通定時器，兩個16位高級定時器，每個可產生6路捕獲/比較通道可輸出6路互補PWM，還有剎車和死區控制，是一款專用電機控制芯片，不僅簡化了外圍電路設計，而且節省成本，結合實時操作系統FreeRTOS，更充分有效地運用了CPU資源，使各個任務實時快速響應，實現操作的快速靈活。
2.2電流采樣及保護電路
在圖2所示的電流采樣及保護電路中，當電機帶負載時，有時電流會達到幾安培，為了處理器正常工作及采樣，需要采用阻值小且精確、體積小的康銅絲作為采樣電阻，電流信號經康銅絲采樣之后分兩路，分別送至放大器和比較器。放大器用來實時放大采樣過來的電流信號，放大約20倍，放大后的信號提供給處理器進行AD采樣轉換，轉換后的AD值不能超過規定值。另一路信號送至比較器，當電流由于某種原因大大超過允許值時，比較器翻轉送出低電平，觸發單片機的大電流中斷，使單片機能夠快速關斷驅動，從而保護MOSFET避免受到更大的傷害[8-10]。
2.3 功率逆變驅動電路
如圖3所示，功率逆變驅動電路中，功率開關器件采用隔離驅動方式將多路驅動電路、控制電路、主電路互相隔離，以免引起嚴重的后果。本系統采用美國IR公司生產的IR2101S，它具有獨立的低端和高端輸入通道；懸浮電源采用自舉電路，邏輯電源電壓范圍大，為系統模塊化的設計帶來了方便，極大降低了開發成本，縮短了系統開發周期[11]；快速恢復二極管Fr10和R39組成自舉電路。
3 系統軟件設計
3.1 控制策略
將二二導式與三三導通模式相結合，得到新的二三導通模式，該導通模式共有12個電壓矢量，電壓矢量增加使60°扇區變為30°扇區，能有效地減小轉矩脈動。在定子磁鏈和轉矩控制方面，12個電壓矢量的調節比6電壓空間矢量更準確。12個電壓矢量組合分成12個扇區，扇區劃分如圖4所示。二三導通劃分扇區的方法和三三導通一樣，二三導通是電壓矢量的15°范圍內作為一個扇區。
本文詳細地分析了無磁鏈觀測的無刷直流電動機直接轉矩控制，得到轉矩偏差的表達式為：
其中，p為極對數，Δφsq為定子交軸磁鏈變化量，Lq為電機交軸電感，φr為轉子磁鏈，θe為轉子相對于ɑ軸夾角。
由于轉子轉動時間常數遠大于電氣時間常數，當電壓矢量起作用時，認為轉子位置不變。在轉子位置不變的情況下，dφr/dθe也保持不變，為迅速調節轉矩偏差，應該選擇交軸分量最大的電壓矢量。近似地在保持定子磁鏈幅值不變的情況下，施加垂直于轉子磁鏈方向的電壓矢量，迅速補償轉矩偏差。以扇區Ⅰ為例，如圖5所示，Ψr為轉子磁鏈，V4與V10可近似地認為與30°扇區垂直。施加V4，增加轉矩；施加V10，減小轉矩。
隨著轉子轉動到不同的扇區，以此規律，得到最優電壓矢量選擇表，如表1所示。
無刷直流電機無磁鏈觀測直接轉矩控制框圖如圖6所示。
從圖6看出，給定轉速ωr*和實際轉速ωr經過速度PID調節，將給定轉矩T*與實際轉矩比較，得到輸出結果τ。當τ=1時，表示需要增加電機轉矩；當τ=-1時，表示需要減少電機轉矩。根據HALL信號判斷扇區結合最優電壓矢量選擇表，選出合適的電壓矢量作用于電機，調節轉矩偏差實現對轉矩的控制。
3.2 程序設計
本控制器軟件系統采用實時操作系統FreeRTOS來調度各個任務，它是一個輕量級的微內核RTOS，支持優先級調度算法，可根據每個任務的重要程度來賦予其一定的優先級，CPU總是讓處于就緒態的、優先級最高的任務先運行，可極大地提高CPU的運行效率，保證各個任務實時快速響應。
本系統運用RTOS創建了4個任務，具體如下：
?。?）電機轉子模式及轉速設置，優先級為4，如果接收到有效命令則執行相應的設置及操作，人的響應時間為100 ms左右，為了讓人感覺操作靈敏，任務每20 ms執行一次，即得到命令后20 ms內CPU就會執行相應的設置。
?。?）AD檢測任務，優先級為2，對采集來的電流與程序中設置的閾值進行比較，若超過最大值，則使電機進入保護或者報警模式，若采集電流值正常，則進行速度PID調節、電流PI調節、轉矩調節、限幅輸出PWM，直至電機平穩運行。
?。?）串口通信任務，優先級為3，人機界面每33 ms自動發一次命令給控制器，控制器進行命令解碼，若收到的數據有效，中斷程序釋放一個信號量，串口通信任務得到信號量后，任務從掛起恢復執行，把得到的命令傳送給任務1，若發送成功，返回一個應答命令，然后任務重新掛起，等待下一次信號量的到來。
?。?）故障報警指示任務，優先級為5，若缺相、霍爾位置錯誤、電流過大、堵轉則相應的LED會閃爍，并且讓電機停止運行，關斷繼電器，能迅速找到錯誤所在，節省維修調試時間。
程序系統框架如圖7所示。
軟件部分把4個任務的部分控制概括融合后進行了簡要描述，直觀體現了電機的整個控制流程。另外，對于電機控制系統的擴展部分，如鍵盤顯示、數據通信等設計也都有過相關文獻論述，就不再贅述。
4 實驗結果
本控制對象采用額定電壓24 V，最高轉速3 500 r/min的無刷電機。通過上位機給控制器發送命令可驅動電機啟動、運行、剎車、停止，實現電機的不同方向的快速切換和各個速度擋速度的改變，既使在大負載下，也能快速啟動并達到平穩狀態，剎車亦快速平穩[12]。12扇區無磁鏈觀測的二三導通模式直接轉矩控制，可以在忽略復雜的磁鏈估算的前提下，對無刷直流電動機直接轉矩控制進行改進，控制簡單，容易實現，并且有效地降低了轉矩脈動。除以上重要功能外，此控制器還具備上電檢測通信、霍爾、缺相等故障，并發出警報，保護電機及避免功率管因電流過大造成永久損害。
5 結論
利用無刷直流電動機速度和電流反饋量作為雙閉環控制系統的參數進行PID的調節，并且采用12扇區無磁鏈觀測的二三導通模式直接轉矩控制有效地降低了轉矩脈動，使電機能夠更平穩地運行，并基于STM32型處理器的硬件平臺應用實時操作系統進行任務的調度，使開發和控制更加方便靈活。此方案已成功應用于電動輪椅的控制，在實際運行中電機加減速及平穩運行、轉彎都可以達到理想的效果。該控制系統響應速度快、調速范圍廣且精度高、運行平穩，能夠有效地減小轉矩，在理論和實際應用中都具備一定價值。
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