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基于直流的无刷电机控制系统的设计
作者：杨华
来源：《硅谷》2011年第06期
摘要： 自动门系统的核心是控制器，设计一个性能稳定、功能强、成本低的无刷电机控制系统有很大的市场前景。首先对基于直流的无刷电机控制系统控制方案进行设计，接着重点研究系统主要电路的设计，涉及到：系统驱动电路、系统逆变电路及电机位置的设计。 关键词： 无刷电机；控制系统；直流电；设计分析
中图分类号：NT文献标识码：A文章编号：1671－7597（2011）0320068－01 0 引言
随着社会的发展，越来越多的企事业单位都在使用不同型号的自动门。自动门不但能够将单位的入口进行一定的美化，而且具备节能和隔音等诸多优点，也是各个建筑楼智能化的一个表现之一。而所有自动门的核心都是一个控制系统，可见设计一个性能优越、体积合适的电机是至关重要的。本文针对电机原理，设计基于直流的无刷电机控制系统。 1 系统控制方案的设计
基于直流的无刷电机控制系统主要涉及到三大部分，分别是：控制部分、驱动部分以及反馈部分。其中，控制部分主要采用的是DSP控制；驱动部分主要涉及到驱动电路以及逆变电路，可以实现将DSP的相关信号进行放大，并将直流电压转变成交流电，直接送入到电机里面；反馈部分主要由CPLD实现处理，通过将电流以及转速方面的参数进行算法调节后，提供有效的电流以及速度值，就可以实现电机的控制调节。
本文研究的无刷电机控制系统的芯片是black fin系统的，特点主要有：动态的电源管理、4GB的寻址空间范围、片外同以及异步式的存储器、双通道貌岸然全双工工的同步串行接口以及具备三个定时/计数器。无刷电机控制系统的时间设置时，是将电流环作为内环速度，所以电流采样的相关频率是大于转速相关频率的。本文定义电流环的周期为50s，而转速的相关周期为1微秒。控制系统的DSP上电初始化时，首先启动脉冲计数等待中断的发生。如果检测到有中断发生，则自动调用电流速度环，并发生PWM信号，实现流程如图1所示： 2 系统主要电路的设计 2.1 系统驱动电路的设计
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无刷直流电机有很多结构，主要涉及到：三相、四相以及五相等。而针对于任何一种结构的电机，又都可以分成半桥式以及全桥式驱动结构。其中，全桥式电机可以采用星型以及三角形的方式组织连接，也可以通过不同的通电模式进行工作。根据电机的连接方法以及驱动模式，本文重点从以下几个方面进行描述：
首先，电机采用的是绕组连接方法。系统采用绕组的话，电机的状态是断续通电状态，我们可以将绕组的通电率，实现通电导体数目的增加，从而保证将电阻下降。从这个方面进行分析的话，电机的绕组设计是相数越多越不好，而且采用全桥式驱动结构明显比半桥式驱动结构要好得多。
其次，转矩波动模式。系统的输出转矩波动比较大，本文为了实现转矩波的减少，实现相数增加，也就是采用全桥式驱动结构的。
另外，电路成本的分析。系统设计过程中的相数越多，导致相关的开关数也会越多，这样会造成成本的增加，因此，这也会造成全桥式驱动结构的费用较高，这也是需要关注的一个方面。
综上所述，利用全桥式驱动结构的驱动电路还是比较优越的，应用性能也较好，当然成本方面也是会有所提高。
2.2 系统逆变电路及电机位置的设计
本文研究的无刷直流电机控制系统采用的是三相逆变的电路模式，综合考虑到了高输入阻抗及低导通压降等诸多方面。在控制系统中，电机位置是至关重要的。电机的位置主要涉及到两个作用：其一是可以有效检测电机的定子以及转子，可以通过定子及转子的位置实现绕组的信号换相；其二是，可以整合控制器，形成反馈的环节电路。本系统采用霍尔元件传感器实现的，相关的转子位置信息直接输出到变换电路，然后由相关的单元进行捕获处理，涉及到的电路结构如图2所示：
针对这样的逆电路结构设计，可以实现无刷电机控制系统电机的有效启动，可以保证系统得到足够大的启动电流，从而提高系统的响就能力。如果每个磁极每相都是以60度进行分布的话，转子在真正转过60度的时候，电路结构就会产生切换处理。可以设定顺时针方向是正转，那么相关的功率开关逻辑如下描述：
如果电机是反转的状态，那相关功率开关逻辑顺序则正好是与上面描述相反的。可行，电机在一个周期内，总共存在六个主要的磁态，而且这六个主要磁态之间的相互导通的，对应的转子是120度的旋转角度。 3 总结
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总之，自动门的核心是自动门的控制系统，决定着自动门的性能，要求自动门噪音小、运行平稳，随着电力电子技术和微控制技术的迅速发展而成熟起来的无刷直流电动机具有体积小、重量轻、效率高、噪声低且可靠性高等优点，因此用基于直流的无刷电动机作为自动门驱动电机具有很大的研究价值。
参考文献：
[1]曹超，高档自动门控制系统的设计和实现[D].天津大学硕士学位论文，2004：1-2. [2]G.R.Li,H.T.Zhang.Design and Analysis On Permanent-magnet BLDC Motor for Automatic Door.Electric Power Applications.2008，（26）：13-16.
[3]刘国海、周文娟、张宏涛等，一种自动门用无刷直流电机优化设计，微电机，2009（9）：5-8.
注：“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”