張才斗，馬 杰

（長安大學(xué) 工程機械學(xué)院，陜西 西安710064）

基于模型的設(shè)計方法的無刷直流電機控制研究

張才斗，馬 杰

（長安大學(xué) 工程機械學(xué)院，陜西 西安710064）

用基于模型的設(shè)計方法開發(fā)電機控制系統(tǒng)是一種快捷有效地方法。以無刷直流電機為被控制對象，利用Simulink、Stateflow搭建邏輯算法模型，在MATLAB平臺上進行實現(xiàn)，經(jīng)過模擬驗證，直接自動生成代碼下載到目標(biāo)板上。設(shè)計者只需要了解工作原理，降低了嵌開發(fā)的難度，提高了開發(fā)效率，縮短了項目完成時間。

基于模型的設(shè)計方法；自動生成代碼；Simulink

隨著電力電子，集成電路的快速發(fā)展，無刷直流電機因其具有調(diào)速方便、易于控制和優(yōu)良的調(diào)節(jié)使得無刷直流電機廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床、航空航天、計算機外圍設(shè)備等高科技領(lǐng)域中[1-3]。由于DSPTMS320F2812芯片具有強大的運算能力、可靠性邏輯控制功能和各種中斷處理功能，所以用DSP去控制無刷直流電機可以實現(xiàn)無刷直流電機高精準(zhǔn)的控制及運行[4-5]。在基于DSP有位置無刷直流電機控制系統(tǒng)設(shè)計中，文獻(xiàn)[6]，[7]系統(tǒng)軟件中軟件的I/O口的功能、PWM模塊的配置、邏輯導(dǎo)通及其算法的實現(xiàn)是用C語言去完成。這樣使得設(shè)計者要學(xué)會將電機的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為C語言，增長了開發(fā)時間。文獻(xiàn)[8]，[9]中Matlab上通過Simulink上搭建的仿真模型將模仿真的結(jié)果與理論分析進行驗證模型的正確，而不能將搭建的模型進行試驗。

本文采用基于模型的設(shè)計方法自動生成代碼，以TI公司和MathWorks公司聯(lián)合開發(fā)的Embed Coder工具箱為依托，采用TMS320F2812芯片作為主處理器，以無刷直流電機為被控對象，直接實現(xiàn)從設(shè)計理念到算法模型，再由模型自動生成嵌入式代碼的高效開發(fā)流程，設(shè)計者需要了解無刷直流電機及TMS320F2812的工作原理，只需注算法本身，將繁瑣的代碼生成工作交給計算機完成，創(chuàng)新點在于不用考慮復(fù)雜的代碼編輯，縮短開發(fā)周期。并且搭建的算法模型不僅能通過軟件在環(huán)進行仿真，還能自動生成代碼進行試驗。

1 原理分析

無刷直流電機系統(tǒng)由電動機本體、轉(zhuǎn)子位置檢測器和由控制電路和逆變橋電路構(gòu)成的換相裝置三大部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。無刷直流電機用定子上安裝電樞繞組、轉(zhuǎn)子上安裝永久磁體，并用位置檢測器檢測轉(zhuǎn)子的位置，檢測到的轉(zhuǎn)子位置信號通過控制電路處理后送給功率逆變橋電路，由功率逆變橋電路驅(qū)動電機連續(xù)運轉(zhuǎn)。

圖1 無刷直流電機系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

下面以Y接三相全橋兩兩導(dǎo)通方式為例，來簡要介紹無刷直流電機的工作過程，無刷直流電機三相全控電路圖如圖2所示，采用兩兩導(dǎo)通方式驅(qū)動，每隔60°電角度換相一次，每次只改變一個功率管，每個功率管導(dǎo)通角度為120°電角度。圖中包含6個晶體管、二極管組成的三相逆變電路，Ha、Hb、Hc為霍爾元件反饋的轉(zhuǎn)子位置信號，控制電路根據(jù)霍爾元件反饋的轉(zhuǎn)子位置信號決定6路PWM信號的通斷或?qū)?，使電機定子繞組按照一定的次序通斷，實現(xiàn)自動電子換相，從而使電機連續(xù)運轉(zhuǎn)。

圖2 無刷直流電機全控電路結(jié)構(gòu)圖

三個霍爾傳感器對稱分布在定子圓周上，當(dāng)轉(zhuǎn)子N極靠近霍爾傳感器，即磁感應(yīng)強度到達(dá)一定值時，霍爾傳感器輸出高電平，當(dāng)N極逐漸離開霍爾傳感器，電磁強度逐漸減小，但輸出仍為高電平，只有當(dāng)磁場變?yōu)镾極并達(dá)到一定值時，其輸出才翻轉(zhuǎn)為低電平。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，N-S極磁場交替轉(zhuǎn)換霍爾傳感器輸出的波形的高低電平比例相等，各占50%.即每個霍爾傳感器都會輸出180°脈寬的輸出信號，如圖3所示。無刷直流電機的準(zhǔn)確換相就是依據(jù)這三個霍爾傳感器輸出信號的組合來確定的。每個周期內(nèi)，霍爾傳感器輸出狀態(tài)數(shù)和電機工作狀態(tài)意義對應(yīng)，在兩兩導(dǎo)通的方式中，一個周期內(nèi)，共有6個工作狀態(tài)，表1表示電機的工作狀態(tài)與三個霍爾傳感器輸出的狀態(tài)的對應(yīng)關(guān)系。

圖3 霍爾位置傳感器輸出三相霍爾信號波形圖

假設(shè)當(dāng)前功率管V3、V6導(dǎo)通，則電流從B相流入電機，從C相流出電機，由電流經(jīng)繞阻產(chǎn)生的磁場方向為（B，－C）。由 B和－C的定子電樞繞組合成磁矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到BC位置。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動使得霍爾傳感器的輸出發(fā)生變化，控制電路會據(jù)此調(diào)整功率管的導(dǎo)通情況，將 V6關(guān)斷，V1導(dǎo)通。這時，電流從 B相流入電機，從A相流出電機，經(jīng)繞阻產(chǎn)生的磁場方向為（B，－A）。由 B和－A的定子電樞繞組合成磁矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到BA位置。同樣，霍爾器件又會輸出一個不同的值，控制電路根據(jù)霍爾元件的輸出作出相應(yīng)的處理，完成一個完整的換相周期。

2 模型搭建

通過上述原理分析，在Stateflow中創(chuàng)建正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)狀態(tài)圖，以dir的值控制電機的正反轉(zhuǎn)，由此得到無刷電機的正反轉(zhuǎn)的狀態(tài)圖，如圖4所示。

圖4 無刷電機的正反轉(zhuǎn)的狀態(tài)圖

根據(jù)表1霍爾傳感器輸出與開關(guān)狀態(tài)對應(yīng)關(guān)系表及控制邏輯，sensor的值及其功率開關(guān)的導(dǎo)通情況，得到正轉(zhuǎn)狀態(tài)圖，如圖5所示。模型接收霍爾元件傳送回的電機轉(zhuǎn)子位置信號，并以此判斷功率開關(guān)的通斷跟PWM波形輸出的極性。當(dāng)霍爾元件返回值為1時，T=0x7FD，十六進制7DF轉(zhuǎn)化為二進制為011111111110，則1、6路PWM 信號導(dǎo)通，并且極性值為PWM1為低有效，PWM2強制高，PWM3為強制高，PWM4為強制高，PWM5為強制高，PWM6為高有效；其他值類似。

表1 霍爾傳感器

圖5 正轉(zhuǎn)狀態(tài)圖

Reversal子狀態(tài)跟Forward的子狀態(tài)基本類似，不同之處在于：模型接收霍爾元件傳送回的電機轉(zhuǎn)子位置信號，導(dǎo)通的功率開關(guān)不同，并且極性不同。

如表1所示，sensor的值為4時，5、6路PWM信號導(dǎo)通。將stateflow模塊再配合Simulink的庫模塊即可完成如圖6的算法模型。當(dāng)dir=1時，電機處于正轉(zhuǎn)，霍爾傳感器的狀態(tài)為4時，Stateflow中T=0xD7F，十六進制D7F轉(zhuǎn)化為十進制為3455，則5、6路PWM信號導(dǎo)通，輸出的值為3455這證明算法模型達(dá)到了預(yù)期目的。而PWM信號占空比可用于調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。在PWM占空比的設(shè)置只需要將PWM模塊中的Outputs選項下面的將各個PWM使能，并且Duty cycle設(shè)為想要的占空比，點擊OK即可。如圖7所示。

圖6 算法模型

圖7 PWM占空比的設(shè)置

最后的生成代碼模型如圖8所示。

圖8 代碼模型

3 結(jié)束語

基于模型的設(shè)計為設(shè)計者提供了一個開發(fā)通用平臺，可將模型自動生成嵌入式C代碼，大大降低了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的門檻，設(shè)計者可輕松生成優(yōu)化的C代碼，減少了很多認(rèn)為錯誤，大大縮短開發(fā)周期。

[1]吳布托，淺談DSP在無刷直流電機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].科技信息，2011（31）：1.

[2]高慧敏，桂天真，崔儒飛，等.無刷直流電機PID調(diào)節(jié)參數(shù)整定研究[J].裝備制造技術(shù)，2014（9）：1.

[3]薛粹松，王 英.基于TMS320F2812的DS_省略_刷直流電機控制系統(tǒng)的研究及其仿真[J].變頻器世界，2015（3）：1-2.[4]李惠生，王 瑞.DSP在無刷直流電機控制中的應(yīng)用研究[J].機電一體化,2014，11（6）：1-2.

[5]盧小錦，基于DSP_BIOS的無刷直流電機控制系統(tǒng)的研制[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2011，30（5）：2-3.

[6]劉海鋒，DSP控制系統(tǒng)在無刷直流電機調(diào)速中的應(yīng)用[J].儀器儀表用戶，2012，3（10）：1-2.

[7]黃 斌，DSP在無刷直流電機控制系統(tǒng)中的運用[J].防爆電機，2016，6（14）：3-4.

[8]劉兆卿，王喜太，王 淼，等.基于DSP無刷直流電機控制系統(tǒng)的研究及其仿真[J].微計算機信息，2011，27（9）：1-3.

[9]喬敏娟，韓文波，劉瑩瑩，等.基于DSP的無刷直流電機閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].計算機與現(xiàn)代化，2014（1）：2-5.

Research on Brushless DC Motor Control Based on Model Design Method

ZHANG Cai-dou，MA Jie
（Chang’an University，School of Mechanical Engineering，Shaanxi Xi’an 710064，China）

It is a quick and effective method to develop a motor control system with a model-based design method.With the brushless DC motor as the controlled object，using Simulink，Stateflow to build the logic algorithm model，in the MATLAB platform to achieve，through simulation verification，direct automatic generation of code downloaded to the target board.Designers only need to understand the working principle，reducing the difficulty of embedded development，improve the development efficiency，shorten the project completion time.

model-based design method；automatic generation of code；Simulink

TM361

A

1672-545X（2017）09-0066-03

2017-06-06

張才斗（1991-），男，山東濰坊人，碩士研究生，主要研究方向：電機控制、simulink仿真、dsp控制。