一种无刷直流电机调速系统设计

摘要：针对家电产品中无刷直流电机的调速需求，本文以DSP为控制核心，采用双闭环控制算法，设计了一种无刷直流电机调速系统。系统通过按键切换速度、TFT屏显示速度及运行状态，且具有过流保护功能，有一定的应用价值。

关键词：DSP；无刷直流电机；调速

无刷直流电机因其结构简单、便于维护以及良好的调速性能和机械性能，现已得到广泛应用[1]。无刷直流电机在不同场合的调速方式不同，电扇、空调、空气净化器等电器的风扇速度一般只有固定35个档位，通过按键等方式切换速度。而空调等电器除了要对电机调速，还需要显示设备显示风速、运行状态等。基于这些需求，本文设计一种具有调速、显示、软件保护功能的无刷电机控制系统。

1 系统总体方案设计

系统主要包括电机、控制器、驱动电路、信号检测电路、显示器、电源几部分。电机为三相星形连接，内置霍尔位置传感器，额定电压24V。控制器以MCU为核心，MCU根据检测的信号，产生6路PWM驱动信号和显示信号。PWM驱动信号经驱动电路使无刷直流电机运行；显示屏通过SCI通信接收显示信号，实时显示电机转速与运行状态。信号检测电路检测电机的转子位置信息与母线电流，反馈到控制器，从而实现闭环控制和过流保护。电源为24V直流电源，系统具有多个电压级，设计电路时需对24V电压进行变换。

2 系统主要硬件部分设计

2.1 控制器设计

控制器主要包括MCU、电源电路、外部时钟电路、复位电路、JTAG电路几部分。以TI公司的TMS320f28335作为MCU，其信号处理速度快，具有ePWM、eCAP、ADC等用于电机控制的模块。DSP芯片的引脚使用3.3V电压，内核电压为1.9V，电源电路的功能就是将24V电压转换成3.3V、1.9V两种电压级，同时将模拟电源与数字电源隔离，防止串扰。时钟电路的时钟源选择为30MHz晶振，其频率经DSP内部的PLL电路倍频和相关寄存器分频，最终得150MHz的系统时钟。复位电路用来完成上电复位，系统上电时使外部复位信号维持3个时钟周期以上低电平，并使晶振有一段时间稳定期[2]。程序通过XDS100V1仿真器下载进DSP，仿真器与DSP系统通过JTAG接口相连，DSP有7个用于程序下载的引脚，用于连接JTAG接口。

2.2 驱动电路设计

电机3个绕组的通断电由3相全桥逆变器完成，逆变器主要由6只开关管和对应的续流二极管组成，常用MOSFET与IGBT作为开关管，系统所用电机为中小型电机，所以选用MOSFET[3]。目前很多MOSFET内部集成有反并联二极管，因此不需要再外加续流二极管。MOSFET的通断由控制器发出的PWM信号控制，但DSP引脚输出功率很小，不能直接驱动开关管，需在控制器与逆变器之间加驱动电路。这里用英飞凌公司的IR2110S作为驱动芯片，单个IR2110S能驱动两个MOSFET，如图1所示。IR2110S的输入端支持3.3V电压级LSTTL逻辑电平，可与DSP引脚直接相连。

3 系统软件设计

软件部分包括初始化、循环等待、中断及控制子程序等。首先对系统时钟、各模块寄存器、全局变量等进行初始化，之后等待中断发生。控制策略为双闭环控制，速度环为外环，电流环为内环[4]，均为增量式PI算法。电流采样、位置信号捕获、双闭环控制均在中断子程序里完成。其中换相、转速计算在CAP中断里，PI算法及电机状态显示程序嵌入在ADC中断程序里，电机调速、速度显示在外部中断里完成。电机调速流程如图2所示，图中key_num为按键次数。

4 结语

本文设计了一个无刷直流电机调速系统，系统用TMS320F28335做为控制芯片，IR2110S为驱动芯片，内外环均为增量式PI控制。该系统具有按键起停电机、调速、显示和过流保护功能，对无刷直流电机在家电产品中的应用具有参考价值。

参考文献：

[1]王国宇.基于STM32的无刷直流电机控制系统设计及仿真研究[D].广西师范大学， 2016.

[2]李海波.基于TMS320F28335无刷直流电机的控制系统研究[D].中国科学院研究生院， 2010.

[3]岳学磊，白鹏，杨瑞坤，等.三相8极无刷直流电机控制系统设计[J].电子技术应用， 2016， 42（4）： 6066.

[4]刘晓梅，李鸥，魏立峰.基于睡眠呼吸机的无刷直流电机控制系统[J].沈阳化工大学学报， 2016， 30（4）： 372377.

作者简介：杨荣金（1992），男，漢族，河南周口人，硕士，研究方向：无刷电机控制。