基于LKS32的无刷直流电机的控制系统

张佳阔，胡志华

（上海第二工业大学，上海，201209）

1 研究背景

随着电力电子、控制理论与方法等学科同电机控制学科的交叉日益紧密，电机控制领域也得到了迅速的发展。在以无刷直流电机为核心元件的调速系统中，使用电子逆变电路取代了传统的电刷结构，需要获得转速与转子位置信号来精准的控制以达到应用要求。这些信号可以通过加装在系统中的传感器（如：霍尔传感器、编码器和测速发电机等）获取，但由于传感器存在故障风险，导致其可靠性下降[1]。为解决这种缺陷，目前业界趋向于采用无刷直流电机无位置传感器控制技术。通过采集无刷直流电机运行时的电流、电压等物理量，并对信号中的位置信息进行提取，精确控制电机动作，提高了系统的可靠性[2]。为了提高系统稳定性并节约成本，无刷直流电机无位置传感器控制成为业界最活跃的研究方向之一，基于此本文所探讨的课题具有时效性与实用性。

2 基于LKS32的无刷直流电机的工作原理

由于无位置传感器控制能够进一步缩小电机体积，增强稳定性及抗干扰能力；同时电机本体的结构也进一步简化，避免了传感器安装困难的问题，电机的生产工艺简单，降低了其经济成本；安装了位置传感器的无刷直流电机难以在高温、高湿、强辐射等恶劣环境中可靠运行，因此选用无位置传感器的无刷直流电机。

无刷直流电机由定子、转子和电枢绕组构成，转子材料为永磁体。在运行过程中，定子绕组通电产生交变磁场，在转子永磁体的作用下，产生驱动力，驱动电机转子转动，利用反电动势检测法，通过一定的硬件、软件检测到电压或电流信号，根据原理经过计算，间接获得转子位置信号，来达到电机准确换相的目的，从而实现电机的正常运转[3]。主控芯片采用LKS32MC086N8Q8，该芯片集成三相全桥自举式栅极驱动模块，可直接驱动6个N型MOSFET，故不需要设计额外的驱动电路。

3 无刷直流电机硬件电路设计

控制系统的基本结构如下图1所示，由控制电路、逆变电路、供电电路、反电动势过零检测电路、电压检测电路及母线负过流检测电路等模块构成。

图1 硬件总体框架图

3.1 MCU电路

LKS32MC086N8Q8是南京凌欧创芯公司生产的面向电机控制应用的32位内核的专用处理器，由52个引脚构成，集成了三相全桥自举式栅极驱动模块，可直接驱动6个N型MOSFET，为此可省去驱动电路的设计。

LKS32MC086N8Q8作为主控芯片控制直流无刷电机的运行具有以下特点：①支持32个独立的中断源及中断向量，响应内部定时器和外部中断请求等中断执行，可设置4个中断优先级，避免中断程序在执行过程中相互干扰；②具有电机控制专用PWM模块，支持8路PWM输出，个通道死区宽度可独立配置[3];③具有多种通信接口，2路UART，1路SPI，1路IIC；④具有电机控制算法专用DSP, DSP配备独立的程序区和数据区，可自主执行 DSP 程序，亦可由 CPU 调用进行某项计算。LKS32MC086N8Q8的基本外围电路如图2所示。

图2 MCN电路

3.2 三相全桥逆变电路

采用三相全桥逆变电路实现直流无刷电机的驱动，下面以A相为例进行分析。图中VB1为高侧浮动输入电源电压，VS1为高侧浮动偏置电压，HO1为高侧栅极驱动信号输出，LO1为低侧栅极驱动信号输出。VAH1、VAL1 均为N型MOSFET，其导通电压为2—4V，既栅极电压VGS必须大于开启电压UT。结合实际电路可知，下桥MOSFET管导通比上桥MOSFET管导通相对容易。为了使上桥MOSFET管也满足导通的要求，需要加入“自举电路”进行升压。自举电路通过二极管、电容等升压器件，使电容储电后的放电电压与电源电压相加，从而达到升压的目的。图中二极管D1和电容Cu1组成上桥自举电路，利用二极管单向导电性来防止电流逆向流入，通过自举电路升压至上桥的MOSFET，即升高HO1输出电压值，使得栅极电压大于开启电压，进而实现上桥导通。LKS32输出的PWM信号控制N型MOSFET的导通和截止，从而完成BLDCM的换相和调速。

图3 三相全桥逆变电路

3.3 电流检测电路

电流检测电路如图4所示，电机电流检测采用单电阻采样法，该方法采样精度高且成本低。BUS端接逆变电路的A相下桥臂MOSFET的源极公共端，流入BUS端的电流就是流过直流无刷电机的电流。因为主控芯片内部集成了运算放大器，所以不需另外设计电流测量电路，减少了电路的复杂程度。在BUS端串联一个采样电阻R29，那么BUS端输出的电流信号经采样电阻转换为电压信号，电压信号由OPA2_IP和OPA2_IN送到MCU电路的38和39号引脚，进行过流检测，当测得值超过电机的安全值时，迅速关闭PWM输出，从而确保电机的正常运行。由OC送到MCU电路的44号引脚进行电流检测，检测的电流作为电流环的控制的反馈信号[4]。

图4 电流检测电路

4 软件设计

为使设计的程序清晰明了，系统软件设计采用模块化设计理念，使设计的程序具移植性和通用性大幅度提升，便于后期调试、维护及二次开发。BLDCM的控制程序主要分为主程序和中断程序。主程序主要由硬件初始化模块、系统初始化模块、电机启动、I/0初始化模块组成。中断的服务程序设计包括了ADC中断模块、CMP中断模块、MCPWM中断模块、UART中断模块、UTIMER中断模块、SysTick中断模块。

图5 软件整体框架

4.1 主程序设计

4.1.1 任务调度模块

在任务调度模块中，也就是主循环，将BLDCM的工作情况分为五个状态，包含空闲状态IDLE、初始化状态INIT、运行状态RUN、停止状态STOP以及错误状态FAULT。当处于空闲状态时，转子没有转动，但是这种情况下要实时检测是否有外部给定的控制信号出现，为初始化做准备;当处于初始化状态时，电机从零速起动，按照设定好的启动方式，经过电机转子位置检测和精确定位；再外同步运行，达到状态切换条件后，电机进入自同步运行状态。当转子磁极的速度达到设定值后，电机开始进入运行状态；在RUN状态下，电机一直处于稳定速度，电机在大部分情况下都处于RUN状态;当控制器接收到停止信号之后，BLDCM进入STOP状态，开始降速，速度为零后运行状态切换为空闲状态;当运行状态为等待错误状态时，BLDCM随即转入IDLE状态。

4.1.2 硬件初始化模块

上电后，关闭中断，立刻对芯片上各个模块进行初始化，在初始化的过程中，依次对UART1、ADC0、MCPWM、UTimer、GPIO、DAC、PGA、CMP进行初始化,调用读取电池电量的程序，进行电量判断，设定中断优先级，开始中断。

4.2 中断程序的设计

4.2.1 反电动势过零检测及换相程序

无位置传感器控制系统的核心是通过反电势过零点来检测转子位置的信息，准确、快速的检测到反电势过零点是控制系统正常运行的前提[5]，这就要求反电势过零点检测具有实时性和可靠性。因此在程序中，将反电势过零检测设置在响应速度最快、中断优先级最高的CMP中断服务模块中，以保证转子位置信息的准确性。

4.2.2 电压检测及保护程序设计

无刷直流电机采用锂电池供电，在电机运行过程中，锂电池需要不断放电。为防止电池过度放电而降低电池的使用寿命，该系统设计欠压保护功能，采用11.1V锂电池作为供电电源，并设置欠压保护值为6V，即系统运行过程中检测到电源电压低于6V，则认为欠压，系统发出相应的保护命令，指示灯闪烁，提示进行充电操作。

5 总结

本文设计了无刷直流电机控制系统的硬件电路及软件模块。系统硬件以LKS32MC086N8Q8为主控芯片，重点包括控制电路、逆变电路、母线负过流检测电路、反电动势过零检测等电路。由于转子位置信号检测电路是整个控制系统的关键部分，通过虚拟中性点过零检测实现了反电势过零点检测，进而实现了无位置传感器控制。系统软件采用模块化编程思想，通过C语言编程实现了PWM方波驱动的无位置传感器的控制，控制程序包含主程序和中断程序。最后，搭建了满足吸尘器、排风扇等应用环境下的实验平台，对此控制系统进行软、硬件联合调试，对实验结果进行分析，验证了该控制系统的实用性，完成了对硬件电路和软件程序的修改和完善。

本文设计的基于LKS32的无刷直流电机控制系统，经过系统测试与分析，可以将其应用于智能家居领域的吸尘器及排风扇系统中，并且该系统具有高可靠性、高集成度，整体控制电路简洁高效，抗干扰能力强等优点。