…－－／Ｃ ；ｚ ；￡一。 …………………………………………………………… ：‘ １＿ 一’羔 ：！… ： ， 微持电棚 ２０１６年第４４卷第１期 ＿１：．！羔：一 …． 张从鹏，等基于 墨 基于ＡＲＭ Ｃｏｒｔｅｘ—Ｍ４的永磁无刷直流调速系统设计 张从鹏，邢庆辉 （北方工业大学，北京１００１４４） 摘要：介绍了一种以ＡＲＭ Ｃｏａｅｘ—Ｍ４芯片作为数字信号控制器，智能功率模块（ＩＰＭ）为驱动电路的永磁无 刷直流电机的调速系统。详细阐述了该调速系统的软硬件设计，并对调速系统搭建实验平台进行了对无刷直流电 动机的调速控制测试。系统测试实验结果表明：该系统性能运行稳定、可靠，速度误差不超过１％，能满足基本的工 业应用。 关键词：永磁无刷直流电动机；ＳＴＭ３２Ｆ４０７；智能功率模块；功率驱动 中图分类号：ＴＭ３５１；ＴＭ３３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００４—７０１８（２０１６）０１—００９０—０３ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ＤＣ Ｓｐｅｅｄ－Ｒｅｇｕｌａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＲＭ Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ４ ＺＨＡＮＧ Ｃｏｎｇ－ｐｅｎｇ，ＸＩＮＧ Ｑ 一ｈｕｉ （Ｎｏａｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１４４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｓｐｅｅｄ—ｒｅｇｕｌａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ－ｍａｇｎｅｔ ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ＤＣ ｍｏｔｏｒ ｗｈｉｃｈ ｕｓｅｄ ＡＲＭ Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ４ ａｓ ｔｈｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｐｏｗｅｒ ｍｏｄｕｌａｒ（ＩＰＭ）ａｓ ｄｒｉｖｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎｄ ｈａｒｄｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ—ｒｅｇｕ１ａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｅｌａｂｏｒａｔｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｗａｓ ｂｕｉｌｔ ｔｏ ｔｅｓｔ ｓｐｅｅｄ ｃｏｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ—ｍａｇｎｅｔ ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ＤＣ ｍｏｔｏｒ．Ｓｙｓｔｅｍ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｒｅｌｉａ— ｂｉｌｉｔｙ．ａｎｄ ｉｔｓ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｅｒｒ０ｒ ｄｏｅｓ ｎｏｔ ｅｘｃｅｅｄ １％．Ｉｔ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｉｎｄｕｓｔｉａｌ ａｐｐｌｒｉｃａｔｉｏｎｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ＤＣ ｍｏｔｏｒ；ＳＴＭ３２Ｆ４０７；ＩＰＭ；ｐｏｗｅｒ ｄｒｉｖｅ ０引 言 随着微电子、电力电子技术的发展，对现代控制 理论和对永磁材料研究的深入，具有体积小、结构简 态响应性能，使电流在动态响应中不出现超调现象， 为此采用ＰＩ控制。速度控制器是为了增加系统的 抗扰动能力，即调节速度的波动，为电流环给定。位 置控制器是通过外部的脉冲给定，给定和通过永磁 单、调速性能好、效率高等诸多优点的永磁无刷直流 电动机在工业上的运用越来越广泛。 目前，数字化智能控制直流调速的出现，使得直 流调速的性能得到很大提升，并很快成为直流调速 的主导。然而国内对数字化直流调速系统的研究相 电机的编码器反馈位置信息进行位置环的ＰＩＤ来完 成对速度环的给定。其中速度控制器的反馈也来自 编码器。 对较迟，形式单一，并且在很大程度上仍依赖于国外 产品。基于这种情况，本文提出了一种基于ＡＲＭ Ｃｏｒｔｅｘ—Ｍ４处理器ＳＴＭ３２Ｆ４０７的永磁无刷直流电动 机的调速控制系统，研究调速系统的硬件实现电路 图１ 永磁直流无刷电动机的系统基本结构 １．２控制系统硬件设计 本设计的永磁无刷直流电动机调速系统的硬件 结构如图２所示。采用ＡＲＭ公司的高性能主控制 芯片ＳＴＭ３２Ｆ４０７为核心，实现调速系统的速度控制 和软件控制算法，开发满足工业现场应用的永磁无 刷直流电动机调速控制系统，具有一定的应用价值 与现实意义。 １系统整体结构 １．１永磁无刷直流电动机调速系统的组成 图１为永磁无刷直流电动机的系统结构图。该 系统是一个典型的三环控制系统，包括电流环、速度 环和位置环。电流控制器的作用是：实现快速的动 ９０ 收稿日期图２永磁直流调速系统的硬件结构 ：２ｏ１５—０７—１７ …．．苎奠熏 … 塑 一塑……．．．．…………………………………… 供电。电源转换电路如图３所示。 …一 ：器、电流控制器的控制、ＪＴＡＧ调试接口电路、ＬＣＤ 状态显示电路、ＡＤ采集信号等相关功能。同时以 三菱公司的智能功率模块ＦＳＡＭ２０ＳＨ６０Ａ的ＩＰＭ为 逆变器开关元件来完成驱动单元。 １．２．１主控电路 主控芯片ＳＴＭ３２Ｆ４０７是基于Ｃｏｒｔｅｘ—Ｍ４架构 内核，集成丰富的电机库接口电路，同时可实现永磁 矢量定向控制的理想平台，内部嵌有高级定时器、编 码器接口、ＡＤ采集接口等外设，极大地方便了直流 调速的控制系统。 图３电源转换电路 １．２．３三相功率驱动控制电路 逆变器电路是伺服驱动系统的主体，向永磁电 １．２．２电源控制部分 电源部分采用２４ Ｖ单独供电输入，通过可调开 关电源芯片ＬＭ２５９６进行电压转换，设定为１５ Ｖ，为 机中输入电流，才能使其才能旋转。三相功率驱动 控制电路选择的是ＩＰＭ模块ＦＳＡＭ２０ＳＨ６０Ａ，内部 集成了ＩＧＢＴ三相桥臂功率器件、驱动电路、电流保 护电路、电源欠压保护等保护电路，如图４所示。 ＳＴＭ３２通过高级定时器输出６路的ＰＷＭ脉冲信 号，作为ＩＰＭ的输入来控制逆变桥的导通和关断， ＩＰＭ驱动电路、ＩＧＢＴ过流保护和刹车电路等电路进 行供电。设定为５ Ｖ，为光耦隔离电路、运算放大电 路、编码器接口电路、ＵＳＢ电路、二极管等电路电源 ＧＮＤ‘ＩＩ— 日蕊 丐嘲ｃ３９ 从而实现电机的精确控制。 张从鹏，等基于 【ｆ 图４三相功率驱动电路 １．２．４三电阻采样电路 本设计采用是三电阻电流采样电路，功率电阻 采用５ｍＱ，５Ｗ。电流采样放大电路如图５所示， 选用的芯片是ＯＰＡ４３５０，该芯片具有高精度、３８ ＭＨｚ高带宽，低噪声、高转换速率（２２ Ｖ／ ｓ），能满 足该设计放大电路的要求。 １．２．５显示接口模块 本设计的人机交互接口采用的是ＴＦＴ型ＬＣＤ 彩色液晶屏模块，分辨率为３２０ｘ２４０，与单片机的连 接如图６所示。 Ｒ８３ 图５电流采样放大电路 ９１