0引言
直流电动机的调速性能非常优越，利用电刷和换向器的机械整流作用实现能力的转换，在此过程中存在换向火花，容易产生各种干扰，严重限制了直流电动机在各类控制系统中的使用。无刷直流电动机应运而生，特别是随着电子整流技术的发展特别是电力电子技术的极大进步，无刷直流电动机克服了传统直流电动机的缺点和问题，使得其广泛应用在各类控制系统中。近年来，高磁能积永磁材料陆续出现，无刷直流电动机的性能更加优越、体积更小，目前无刷直流电动机已经在国民经济的各个领域广泛应用，特别是在家电、电力传动摩托车、汽车、航空航天等领域。因此对其进行控制的技术开发也越来越受到重视。
1无刷直流电动机的控制方案
整个控制系统主要由无刷直流电动机、逆变器、传感器与控制执行器等四大部分组成，同时为了保证装置的正常工作，具有短路、过流、过电压和欠电压等故障保护电路。。无刷直流电动机实际上是永磁同步电机。定子结构与普通同步电动机一致，铁心上有槽，槽内嵌入嵌有多相对称绕组，绕组根据需要可以是三角形结构，也可以是Y型结构，不管是何种形式，在使用时分别与逆变器中的各开关管直接相连。逆变器由主开关和附件做成，主开关一般采用大功率电力电子器件，例如双向可控硅或功率MOSFET等全控型器件。传感器的作用是检测无刷直流电动机的转子中磁极相对与定子中多相绕组的位置信息，为逆变器换相提供精准的位置信息，实现电流转换工作。位置传感器的结构包括两部分：定子和转子，其中转子与无刷直流电动机的结构同轴，以实时掌握记录无刷直流电动机转子磁极的位置；而定子可以固定在无刷直流电动机的静止部分，如外壳或端盖上，把检测转子位置信号输出。控制执行器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调节功能指挥中心，例如速度调节、制动、正反转等，一般具有如下功能：对转子传感器输出的信号、调制信号、控制和制动等各类信号进行逻辑处理，为各开关管的选通信号和斩波信号，实现电机启动、制动、调速和方向控制；产生调制信号实现电机开环调速；对无刷直流电动机进行电流与速度闭环调节，使得整个控制装置动态和静态的各项性能指标良好。微控制器采集电压、电流和各种控制要求，诸如调速、制动、正反装等实际控制要求和位置传感器的三个输出信号，用编程的方法来模拟无刷电机的控制逻辑，按照控制程序进行处理，将各类控制信号和要求转换成驱动六个功率开关器件所要求的驱动顺序。功率驱动单元主要由三相桥式逆变电路和自举电路组成。逆变电路把直流信号转换成交流输出给无刷直流电动机，无刷直流电动机从而完成各类控制要求，传感器在无刷直流电动机运行过程中时刻检测定转子磁极相对位置，开关电路根据上述信息为整个电路正常各种提供出换相的正确时机。短路、过流、过电压和欠电压等故障保护电路由调速信号和制动信号、过电流保护电路、电流采样电路、电压比较电路构成。
2控制装置的硬件设计
2.1电源电路
24V电池送入U1、U2、U3稳压器输出+12V、+15V和+5V给MCU及其它装置供电。
2.2逆变器主电路设计
逆变器采用自控式逆变器，将直流电转换成交流电向无刷直流电动机供电，另外通过控制使得无刷直流电动机输入电流的频率和转速始终保持在同步状态，因此无刷直流电动机和逆变器不会产生失步和振荡。
2.3MCU的选择与设计
在整个控制装置中需要把多种模拟量需要转换成数字量，在目前脉宽调制PWM技术在无刷直流电动机控制中广泛使用，综上，选用的MCU应该有多通道A/D转换模块同时应具有脉宽调制输出端口。本控制装置采用LPC2132作为主控芯片，可以实现专用控制芯片的全部功能，可以通过软件控制，修改程序可适应不同型号和用途的无刷直流电动机，使得系统设计非常灵活方便，这样很容易实现系统扩展，以满足实际控制需求。
2.4保护电路设计
电流信号经由采样电阻获取，经过LM492放大，由单片机LPC2132通道1（管脚2）输入，并进行控制处理。同时。电流采样信号通过LM492与一固定电压值比较，当电压的电流过大时，LM492输出高电平，送入IGBT直接关断输出，进行逻辑功能保护。
3控制装置的软件设计
软件在设计时按顺序扫描控制的模式编制。程序在执行时首先上电复位,初始化时钟和中断源，在此基础上打开中断。当MCU检测到转子的输入电压时,将该电压经MCU中的模拟和数字转化模块，A/D转换后按程序算法，计算出PWM的占空比，然后MCU再计算输出PWM波形。接着采样传感器产生位置信号,将该信号的状态与无刷直流电动机固定的相位控制序列进行比较判断,根据控制要求判断无刷直流电动机的相位是否正确。如果是正确,就按照要求输出PWM波,否则的话，装置重新复位。欠电压检测需要在程序设置欠电压的数值,控制装置在运行过程中采样电源电压，如果采样得到的电压低于程序中设定的设定值,装置则关闭输出,否则该装置进行限电压保护检测。限电流保护检测是把电压传感器测量得到的电压，经过放大、检波、、滤波，然后A/D转换，转换得到的数值与程序设定的电流限定值进行比较,如果大于装置最高要求限定值,装置强制关闭输出，否则的话，该装置正常运行。该装置在运行的过程中实时监测刹车信号，如果有刹车信号输人,装置则关闭输出。软件编程在设计时，其中定时器根据各种控制要求产生斩波电压，综合运用中断，改变斩波电压，然后再需要时对应单元写入数值。位置输入信号经程序运算产生对应的输出逻辑。刹车信号、过电压和过电流信号一次写入读入，并根据控制要求进行相应处理，输出相应的动作。
作者：徐远哲 刘胜长 单位：装甲兵职业技术学院
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