基于SPMC75的无刷直流电动机变频控制

董昌春，孔祥洪

（1.上海电子信息职业技术学院 计算机应用系，上海 201411；2.上海水产大学 信息学院，上海201300）

基于SPMC75的无刷直流电动机变频控制

董昌春1，孔祥洪2

（1.上海电子信息职业技术学院 计算机应用系，上海 201411；2.上海水产大学 信息学院，上海201300）

为了实现三相无刷直流电动机变频控制，设计了以16位变频芯片SPMC75F2413A单片机为控制核心的测试系统方案，并完成系统的软硬件设计。该系统利用功率器件智能模块IPM PS21563和霍尔传感位置侦测，结合驱动算法来实现无刷直流电动机驱动和调速。试验结果表明本系统稳定、灵活，达到了对无刷直流电动机的无级变频调速的控制要求。

SPMC75F2413A单片机；无刷直流电动机；变频控制

本文利用SPMC75F2413A来实现无刷直流电动机的变频控制,其为马达驱动专用芯片，方便产生各种驱动控制信号。传统直流电动机采用机械换向装置，运行时电刷和换向器之间产生噪声、火花、电磁干扰，无刷直流电动机BLDC采用电子换向器，不仅运行效率高、无励磁损耗、调速性能好，而且结构简单、运行可靠、维护方便。

1　控制原理

1.1无刷直流电动机控制原理

无刷直流电动机的控制原理简图如图1。主电路是一个典型的电压型交-直-交电路，逆变器提供等幅等频5～24 kHz调制波的对称交变矩形波。永磁体N-S交替交换，使位置传感器产生相位差120°的H3、H2、H1方波，从而产生有效的六状态编码信号：010、011、001、101、100、110，通过逻辑组件处理产生V6－V1导通、V5－V6导通、V4－V5导通、V3－V4导通、V2－V3导通、V1－V2导通，也就是说将直流母线电压依次加在U－> V、W－>V、W－>U、V－>U、V－>W、U－>W上，这样转子每转过一对N-S极，V1、V2、V3、V4、V5、V6各功率管即按固定组合成6种状态的依次导通。每种状态下，仅有两相绕组通电，依次改变一种状态，定子绕组产生的磁场轴线在空间转动60°电角度，转子跟随定子磁场转动相当于60°电角度空间位置，转子在新位置上，使位置传感器U、V、W按约定产生一组新编码，新的编码又改变了功率管的导通组合，使定子绕组产生的磁场轴再前进60°电角度，如此循环，无刷直流电动机将产生连续转矩，拖动负载作连续旋转［1,2］。

图1　无刷直流电动机的控制原理简图

H1、H2和H3是霍尔传感器的3个信号出线，V1、V2、V3、V4、V5和V6表示IGBT组成的三相全控桥电路，上桥的V1、V3和V5 3个功率管，下桥的V2、V4和V6 3个功率管，分别控制这U、V和W三相直流电的流向。

1.2无刷直流电动机的驱动

IGBT信号的分配和电动机的位置有着紧密的联系，本方案无刷直流电动机采用120度方波的算法驱动IPM的内置IGBT。根据位置状态信息来分配IGBT的驱动信号，010、011、001、101、100和110是从BLDC的霍尔传感器反馈回来的位置信号经过编码后的6种状态。在此通过改变上桥臂PWM的占空比来改变加在无刷直流电动机上的端电压，选用IGBT的下桥臂分配高低电平，上桥臂分配PWM信号的驱动方式。信号分配和位置关系如图2所示。

图2　位置驱动信号关系

正转的位置信号和驱动信号的关系如图2所示：010（H3 H2 H1）V6－V1、011（H3 H2 H1）V5－V6、001（H3 H2 H1）V4－V5、101（H3 H2 H1）V3－V4、100（H3 H2 H1）V2－V3、110（H3 H2 H1）V1－V2的顺序换流，根据位置信号给出反转时驱动信号的换流关系：001（H3 H2 H1）V1－V2、011（H3 H2 H1）V2－V3、010（H3 H2 H1）V3－V4、110（H3 H2 H1）V4－V5、100（H3 H2 H1）V5－V6、101（H3 H2 H1）V6－V1。

图3指出了在控制信号的作用下各相的电压、电流方向的关系。电动机内部的旋转磁场是通过控制各个功率管的开/关，使得电流依序流入U、V、W三相线圈。

图3　电流时序

2　硬件设计

硬件电路的设计［3-5］主要包括：控制器系统，IPM模块及驱动，位置侦测，RS232通信和电源5个部分，各部分的框图如图4所示。

利用SPMC75的变频技术对电动机的速度进行调节。电动机内部安装的霍尔传感器方便了电动机的驱动，其对驱动转子的位置进行侦测，转子现在的位置决定下个激磁相。自身具备保护机能的IPM模块及驱动，简化了SPMC75控制器和无刷直流电动机之间的联系，提高了系统的可靠性。

图4　系统框图

3　软件算法

在本控制系统中，由输入和输出状态进行实时采样，它是一个离散控制系统，PID控制器采用差分方程表示，有：

其中：u（k）――k次采样周期的输出

e（k）――k次采样周期的偏差

T――采样周期

在式（1）中，令：Δe（k）=e（k）-e（k-1）则有：

在上式（2）中，令：Ki=Kp/Ti，Kd=Kp*Td

则有：

由于

并且

Δe（k）=e（k）-e（k-1）

Δe（k-1）=e（k-1）-e（k-2）

所以有

上式也可以写成

在纯比例控制的作用下改变比例系数求出产生临界振荡的振荡周期Tu和临界比例系数Ku。

根据Z－N条件，有

T=0.1Tu

Ti=0.5 Tu

Td=0.125 Tu

代入式（7）则有：

采用上式可以十分容易的实现常数Kp的校正。

4　软件流程

利用中断对电动机进行实时处理，涉及到的中断主要有：IRQ0的错误输入和输出中断、IRQ1的PDC和TCV中断、IRQ6的UART RXD中断及CMT0的定时中断。主程序［4,6］主要完成系统必要的初始化，主程序设计流程图如图5所示。

图5　主程序设计流程图

PDC、TCV、RXD和CMT0等中断协助完成对BLDC的启动、运行、速度调节和错误保护的控制。PDC、TCV中断操作流程如图6所示。

图6　PDC、TCV中断操作流程

5　结论

本设计采用120度上相PWM方波驱动带霍尔位置传感的无刷直流电动机并应用PID控制［7］，利用SPMC75的变频技术来进行对电动机的速度调节，实现了对三相绕组无刷直流电动机的驱动［8-9］和调速。

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Brushless DC motor's variable-frequency control based on SPMC75

DONG Chang-chun1,KONG Xiang-hong2
（1.Department of Computer Application，Shanghai Technical Institute of Electronics&Information，Shanghai 201411,China；2.College of Information，Shanghai Fisheries University，Shanghai 201300,China）

This paper designed a system which took SPMC75 microcontroller as the core to realize the brushless DC motor's variable-frequency control.And designed the hardware and software of the system.It used Intelligent Power Module PS21563 and a hall sensor,combined with the driven algorithm to realize the brushless DC motor's drive and variable-frequency control. The test result showed that the system meet our requirements.

SPMC75F2413A；brushless DC motor；variable-frequency control

TN609

A

1674－6236（2016）13-0101-03

2015-04-22稿件编号：201504244

董昌春（1978—），男，山东青岛人，硕士研究生。研究方向：计算机应用。