無刷直流電機的應用已從最初的航空、軍事設施領域擴展到了辦公自動化、家用電器、工業過程控制、精密機床和汽車電子等工業和民用領域。有專家認為無刷直流電機將作為信息時代的主要執行部件在各行各業得到最廣泛的應用。尤其近年來國內電動車的普及，同時隨著環保、節能的社會號召，電動汽車也應運而生，還有大部分家用電器，無不預示著無刷直流電機應用的飛速發展。

傳統的電機調速系統往往以普通的8位微控制器或性能強大的DSP作為控制核心，前者需要附加多種接口，實時性差，指令功能不強，運算速度慢，應用很受限制；而后者的價格較高，開發門檻高，可選擇性差，只適合做一些中高端的應用。

基于ARM核的微控制器的出現較好地解決了以上問題，ARM處理器資源豐富，具有良好的通用性，其主要特點是高性能、低功耗、低成本。因此，本文基于ARM處理器LM3S2739，以當前應用廣泛的無刷直流電機為研究對象，應用閉環調速策略，設計了一個全數字閉環調速系統。

1 系統組成及工作原理

系統硬件組成如圖1所示。由圖可知，系統主要由電源電路、控制電路、驅動電路、位置檢測電路以及檢測保護電路等組成。

圖1 系統硬件組成框圖

2 模塊電路設計

根據圖1中的系統組成框圖，下面以模塊電路的形式逐一介紹各個電路的功能及其實現。

2.1 電源電路

電源模塊的輸入為220VAC、50Hz，提供6路輸出：+15V-ISO、+5V-ISO、+15V、-15V、+5V、+3.3V，其中前兩路與其它各路隔離。開關芯片采用PI公司生產的TOP260EN，此芯片在開放式模式下，其輸出功率可達275W，能滿足設計要求。

電源電路的設計關鍵點在于接地的處理，要特別注意以下幾種地：驅動電源地、控制電源數字地、控制電源模擬地、電機三相電源地、設備外殼地、供電電源中性線等。正確合理的處理以上地電位對系統的正常運行、人身安全起決定性作用。除此之外，電路板宜采用多層板設計，高頻信號加屏蔽，關鍵信號加濾波，成品加屏蔽外殼，以此來達到整機的電磁兼容性要求。

2.2 控制電路

控制電路是指調速系統中的弱電部分，主要包括：主控芯片、存儲器接口、通訊接口、LED顯示等電路。

主控芯片采用美國流明諾瑞(Luminary)公司基于Cortex-M3內核的32位ARM芯片LM3S2739作為控制核心芯片，該系列芯片是專為電機控制應用設計，豐富的外設使得外圍電路實現起來非常簡單，同時能有效縮小電路板體積。

為了保存用戶參數，防止掉電丟失，本系統中設計了2K非易失存儲空間，存儲芯片采用24C02，利用LM3S2739的I2C功能模塊，實現起來非常方便。

本系統設計了兩種通訊接口：RS232串行接口和CAN總線接口。RS232接口一般用來實現上位機調試參數，接口芯片采用SP3232EUCY。 CAN總線可以很容易實現網絡控制，接口芯片采用TJA1050。以上接口均采用光電隔離提高抗干擾性。

系統采用1位7段數碼管顯示狀態，包括系統運行狀態、故障狀態等。數碼管通過LM3S2739的同步串行接口(SSI)來控制，同時采用移位存儲器74HC595來進行串并擴展。

2.3 驅動電路

驅動電路采用智能功率模塊(IPM)，這種器件將輸入隔離、能耗制動、過溫、過壓、過流保護及故障診斷等功能集成一體。本系統充分利用IPM的強大功能，只需少量的外圍器件便可以很容易地組成功能完善的逆變橋主電路。

功率驅動模塊采用仙童(Fairchild)公司的FSBS10CH60，它是10A、600V的集驅動和保護于一體的IGBT模塊，隔離電壓達到2500V。帶有溫度傳感器，可方便實現過熱檢測。為了實現弱電信號控制強電信號，達到強弱電隔離，盡可能地保護電路。微控制器輸出的PWM信號需經過光隔驅動后，再控制IPM。光電隔離器件采用HCPL4504。

2.4 位置檢測電路

本系統所選電機為無刷直流電機，配有霍爾位置傳感器和編碼器。霍爾位置傳感器是集電極開路輸出，因此在和微控制器接口時需要上拉電阻。編碼器是雙極差分信號輸出，需要增加接收器26C32和微控制器接口。

2.5 檢測保護電路

由于電機驅動的開發和使用的特殊性，應加強安全意識。一是實驗過程的人身安全；二是設備安全，保證實驗過程的正常運行。因此，保護電路必不可少。在本項目的設計過程中，重點設計了以下檢測保護電路。

(1)相電流檢測：精確的電流采樣，是電機良好運轉的必要條件。本系統采用LEM公司生產的電流傳感器HX-15P進行電流采樣。電流傳感器的原邊串入電機三相動力線，副邊即輸出成比例的電壓信號。該信號為具有正負極性的雙邊信號，無法直接接入微控制器的AD輸入通道，因此，需要對該信號進行整流，可以采用運放構成精密全波整流電路，不過要注意運放的帶寬，以便滿足AD采樣的需要。

(2)過壓、欠壓檢測電路：通過在母線電壓之間串接分壓電阻進行電壓采樣，電路的核心是雙比較器LM393，其構成窗口比較器，母線電壓超出窗口閾值，表明母線電壓異常，輸出信號通過光隔后，輸入微控制器接口，從而控制PWM輸出，保護功率驅動電路的安全。

(3)過流故障檢測：主要依靠IPM芯片的故障輸出功能，FSBS10CH60芯片具有一個故障輸出引腳FO，當芯片內部出現過流等綜合故障，此引腳會輸出脈沖信號。將此脈沖信號通過光隔后，輸入微控制器PWM模塊的故障(Fault)引腳，強制PWM進入無效狀態。

(4)過熱故障檢測：同樣是利用IPM芯片的集成溫度傳感器功能，IPM芯片內部帶有一個熱敏電阻，作為溫度傳感器使用。通過熱敏電阻采樣的溫度電壓信號經過運放OP07構成的電壓跟隨器后，再經過比較器和設定的溫度值做比較，輸出信號通過光隔后，輸入微控制器接口，從而保證電路安全。

3 驅動軟件設計

本文所設計的伺服驅動系統是一個基于無刷直流電機的包括速度調節環和電流調節環的雙閉環調速系統。閉環調節算法采用常用的PI控制算法。

首先通過編碼器和霍爾位置傳感器的輸出來確定轉子的位置和換向信號。同時，計算得到電動機的當前速度，然后與速度參考值進行比較，得到速度誤差信號，經速度調節器后，得到相應的電流參考信號，該電流參考信號與電流傳感器采樣的實際電動機相電流信號進行比較，電流誤差信號經電流調節器調節后，得到PWM的占空比，產生適當的PWM信號，施加到電動機的功率電子開關電路上，通過控制功率管的開通關斷順序和時間，從而實現對直流無刷電動機轉速和輸出轉矩的控制。

根據控制系統所要實現的功能，結合模塊化的軟件設計思想，可將系統軟件分為三大部分：主程序模塊、系統初始化模塊、系統控制模塊。主程序模塊主要包括系統時鐘配置、外設接口配置、中斷配置以及調用系統初始化模塊和系統控制模塊等。

系統初始化模塊主要完成HALL接口、QEI接口、PWM模塊、ADC采集模塊、系統定時模塊、顯示輸出模塊、CAN總線模塊、UART模塊、看門狗等相關模塊的初始化功能。系統控制模塊功能包括各中斷服務子程序，主要負責完成系統控制任務，包括命令的接收與處理、參數綜合、全局協調以及狀態顯示等。

本系統大部分的功能依賴于中斷的執行，因此正確配置中斷是程序設計的關鍵。程序的編程語言采用C語言，靈活易用，可移植性強。開發環境采用IAR Embedded Workbench for ARM V5.50，編譯效率高，使用方便。主程序流程圖如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

4 系統應用

城市軌道交通站臺屏蔽門系統作為國家大力發展的軌道交通設備，市場前景廣闊。門機系統是屏蔽門系統的核心，其關鍵技術是電機控制，也就是伺服驅動系統。基于本文所設計的伺服驅動系統，滿足屏蔽門系統的速度環控制要求。

5 結論

ARM的強勢推出，成本不斷降低，諸多伺服設計廠家已經轉向ARM方案，可以說基于ARM的芯片已經引領了MCU應用潮流。同時，基于ARM核的芯片具有32位的內核，資源豐富，性能優越，為高速采樣提供了運算速度的保證, 從而可在較大的轉速范圍內實現高精度控制。該調速系統具有響應速度快、可擴展性強、性價比高等特點，可應用于自動門、電動自行車等領域，有廣闊的市場應用價值。

（編自《電氣技術》，作者為高振天、袁瑋。）