基于ARM的全数字双闭环无刷直流电动机控制系统设计

1 全数字双闭环直流调速系统简介

在稳态的情况下，直流电动机仅仅采用单闭环转速PI调节就可以在保证直流调速非常系统稳定的前提下实现转速没有静差，即输出完全跟随输入。但在快速起制动、抗干扰能力强等控制系统对动态性能要求较高时，因电动机在单闭环系统中电流和转矩的动态过程不能得到及时有效的控制，因而需在控制系统中设置一个电流调节环用于调节电流。所以控制系统中有转速调节环、电流调节环两个调节环，且这两个调节环之间实行嵌套连接。图1及图2分别为模拟控制与全数字控制下双闭环控制系统的结构框图和双闭环直流调速系统结构框图。

2 控制系统整体构成

全数字双闭环无刷直流电动机控制系统主要由ARM嵌入式处理器、LCD触摸屏、光电耦合电路、驱动电路、逆变电路、电流检测电路、直流无刷电机位置信号检测环节以及控制电路组成。

本设计中的ARM处理器为其内核为Atmel公司的ARM9系列32位CPU AT91SAM9261S，它采用5级整数流水线，主频最高可达300MIPS，支持Windows CE、Linux、Palm OS等多种主流嵌入式操作系统，在工业控制、检测设备和仪器仪表等需要高速数字信号处理的场合运用非常广泛。

无刷直流电机控制系统整体框图如图3所示。当系统处在运行状态时，通过电阻给定转速信号，并经触摸屏实时显示及P、I参数设定，发出运行指令(如起动、正转、制动)。根据霍尔传感器检测到的电机位置信号控制换相，并计算电动机的转速来改变控制器的输出信号，从而调整电机的运行状态。电流检测环节主要是实现转速、电流双闭环控制和过流保护，从外部检测到的电流信号经过采样后，经放大、滤波送到A/D转换器进行模数转换，控制单元根据检测到的电流大小来调整电流调节器的输出。当出现过流故障时，电流检测电路会发出故障指示信号，送入ARM处理器进行处理。

3 硬件各模块设计

3.1 光耦隔离电路

控制信号一般为10～20 kHz左右的PWM波，为了减少电磁干扰对ARM处理器的影响，需采用高速光耦进行隔离、整形和电平转换。本设计采用6N137光耦，开关时间最大75 ns，光耦隔离电路如图4所示。

3.2 逆变电路

功率逆变电路采用三相星形全桥逆变电路，如图5所示。由6只IRF530N MOOSFET构成三相逆变桥，其中每只MOSFET功率管两端反并联一只二极管，用于续流和缓冲。低侧三只MOSFET管并联后串接一个小电阻Rs用作电流采样。