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-1-中国科技论文在线轮毂电机闭环控制系统设计邵陈真,田梦倩**(东南大学机械工程学院,南京211189)5作者简介:邵陈真(1992-),男,硕士研究生,主要研究方向:机械电子工程通信联系人:田梦倩(1972-),女,副教授、硕导,主要研究方向:机电控制及自动化,测试计量技术及仪器.
E-mail:Tianmq@seu.
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cn摘要:传统的轮毂电机使用霍尔编码器作为速度反馈,速度控制效果不好,为了提高轮毂电机的速度闭环控制效果,本文利用光电编码器结合电机控制芯片JY01A设计了轮毂电机闭环控制系统,并搭建了实验平台,以霍尔传感器和光电编码器作为反馈器件做了对比实验.
关键词:轮毂电机;闭环控制;速度反馈中图分类号:TM33.
1510Designofclosed-loopcontrolsystemforhubmotorShaoChenzhen,TianMengqian(SchoolofMechanicalEngneering,SoutheastUinversity,NanJing211189)Abstract:Thetraditionalclosed-loopcontrolofthehubmotorusestheHallsensorforthespeed15feedback,butthespeedcontroleffectisnotgood.
Inthispaper,Inthispaper,theclosed-loopsystemofthehubmotorsystemisdesignedbyusingthephotoelectricencodercombinedwiththemotorcontrolchipJY01Atoimprovetheeffectoftheclosed-loopcontrol,andtheexperimentalplatformisbuilt.
ThecomparisiontestiscarriedoutwithHallsencorandphotoelectricsencorasfeedbackdevices.
Keywords:Hubmotor;Closed-loopcontrol;Speedfeedback200引言直流无刷电机(BLDCM)是利用变频器取代传统直流有刷电机的换向器及碳刷等整流机械结构,具有低噪音、运转平稳、易于调速等优点[1-2],由于没有整流结构和电刷,直流无刷电机在汽车工业,工业控制等领域有着重要作用.
轮毂电机作为一种外转子的直流无刷25电机,不带减速器,不占空间,很容易拆装,常用于电动汽车及电动自行车,当电动车在行驶时,保持车速的恒定,既可以减少不必要的车速变化,提高驾驶员的驾驶体验,还能节约能源,但汽车在行驶过程时,会受到因地形环境变化引起行驶的阻力变化而导致车辆的速度变化,所以需要对轮毂电机进行闭环控制,传统的闭环控制器使用轮毂电机内置的霍尔传感器作为电机闭环速度反馈的传感器[3],但霍尔传感器受到安装位置、温度、地磁场等等变化30都会引起输出信号的变化,尤其是在低速时霍尔传感器输出信号频率极低,这些都会导致速度反馈信号不准,影响轮毂电机恒速的效果.
本文提出一种基于外置光电编码器的轮毂电机闭环调速控制器.
光电编码器信号输出频率高,且利用光电原理,不受温度和地磁场等外界环境干扰,反馈信号精准,适合轮毂电机闭环控制系统.
1轮毂电机闭环控制系统硬件设计35无刷轮毂电机闭环控制系统硬件设计利用模块化的设计思想,将系统分为四个模块,主http://www.
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cn-2-中国科技论文在线控模块、电机驱动模块、传感器模块和电源模块,硬件结构框图如图1所示,下面分模块对系统硬件介绍控制.
图1控制系统硬件总体框图401.
1主控模块本文选用意法半导体(ST)公司出品的STM32F103RCT6作为闭环控制系统的主控制器芯片,它内置了32位ARM微处理器,最高工作频率72MHz,内部集成了AD、DA、I2C等外设接口,极大方便了外围采集电路的设计.
主控芯片能够正常工作需要设计其对应的最小系统,最小系统包括晶振电路,复位电路,USB下载电路,电源电路等,最小系统设计45电路图如图2所示.
图2主控模块最小系统图http://www.
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cn-3-中国科技论文在线1.
2驱动模块1.
2.
1驱动电路设计50电机驱动是本设计的核心,本文采用JY10A无刷电机驱动IC芯片作为轮毂电机驱动的芯片,JY10A是一款专用于轮毂电机的驱动芯片,它内部集成了电流环和正弦波电机驱动算法,不需要人外围设计电流环且正弦波电机驱动也使电机驱动更加平稳,有利于本设计的实现,驱动模块电路原理图如图3所示,是由3个IR2101和NMOS管及无刷IC芯片JY10A搭建的三相全桥电路构成[4],JY10A芯片引脚功能如表1所示.
55表1JY01A引脚说明引脚名称引脚作用引脚名称引脚作用VR调速M测速(霍尔信号输出)Z/F正反转EL使能(高电平有效)图3驱动电路原理图1.
2.
2电平转换电路设计60JY01A是0-5V的控制芯片,主控芯片STM32F103RCT6是3.
3v控制的,所以需要做电平转换,设计的电平转换电路如图4所示,是一种双向的电平转换电路,由MOS管和电容电阻构成,经试验验证在低频时有良好的转换效果,Z/F_OUT信号代表3.
3v输出信号,Z/F信号为电机控制芯片输出信号.
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cn-4-中国科技论文在线65图4电平转换电路1.
3电源模块整个系统的供电我们使用36V的锂电池,使用LM2576S系列芯片获得5V和15V电压,其中5V给主控板和编码器供电,15V给IR2101供电.
1.
4传感器模块701.
4.
1霍尔测速原理传统的轮毂电机速度闭环使用的是电机内置的霍尔传感器来进行速度反馈,霍尔传感器用与轮毂电机的六步换向[5],当电机靠近霍尔传感器会产生信号,利用三个120度分布的霍尔传感器可以得到电机可靠的换向信号,这样电机就可以连续运转,所以霍尔传感器的信号频率正比于电机转速,可以用来做速度反馈,霍尔传感器的方波输出频率与电机的极对数有75关,电机转速(RPM)计算公式如下:(1)其中,是是设定的采样周期所采集到的脉冲个数,是轮毂无刷电机的磁极对数,注意采样周期的单位为秒,的单位是RPM.
1.
4.
2光电编码器测速原理80光电编码器,是利用光信号扫描码盘,通过检测统计信号的通断次数来计算电机的转速,利用光电编码器的电机转速计算公式如下:(2)其中,是设定的采样周期所采集到的脉冲个数,是编码器的线数(一圈输出的脉冲总数),的单位为秒,本文采用512线的光电编码器.
851.
4.
3光电编码器本文选用的mini编码器,如图5所示,其外径14mm,分别是两根电源线VCC、GND,三根信号线,脉冲输出OUT及方向输出DIR及机械调零Z,由于只需要判断电机的正转以及反转的速度,所以信号线只需要脉冲输出OUT和方向输出DIR,主控器通用定时器配置成输入捕获,可以读取编码器脉冲输出频率计转向信号.
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cn-5-中国科技论文在线图5mini编码器2轮毂电机闭环控制系统软件设计2.
1系统主程序设计电机的闭环控制一般有三种方式,分别是单速闭环,速度环和电流环的双闭环及速度环、95电流环和位置环三环结合的三闭环[6],本文采用的是速度和电流的双闭环,因为轮毂电机相电流的采集及滤波极其困难,所以电流反馈很难实现,而电机控制IC芯片内置的电流环采样频率极高,所以电流环由电机控制芯片内置的电流环来实现,速度外环则利用光电编码器的信号为反馈结合主控板内置的程序来实现.
整个程序设计流程如图6所示.
100图6主程序设计流程图2.
2PID算法选定PID控制是一种常用的反馈控制算法,因调参简单,鲁棒性高,在工业上应用广泛[7],单片机控制系统是离散系统,所以要使用离散式的PID算法,离散式PID算法分为离散位置式PID算法与离散增量式PID算法,位置式PID公式如下:105(3)由公式(3)可以看出当前时刻的输出与过去的每个时刻的状态有关,这会造成误差的累计,增量式PID公式如下:(4)由公式(4)可以看出,当前时刻的输出只和过去的两个采样时刻有关,就不会造成误差110http://www.
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cn-6-中国科技论文在线的累计适合本系统的要求,所以本文采用离散式增量型PID算法,PID算法实现框图如图7所示.
图7PID算法实现框图3轮毂电机闭环控制系统平台搭建1153.
1外置编码器的安装由于轮毂电机是外转子电机,电机转动时电机轴不转动,基于同圆心安装的编码器很难使用,本文设计了如图8所示的外置编码器的安装方式,将编码器通过支架安装于电机轴上,同时将特制的中空齿轮安装于电机轮毂上,编码器末端安装了小齿轮,调节支架让小齿轮能够和轮毂上中空齿轮紧密啮合,齿轮比是3:1.
120图8外置编码器安装图3.
2整体系统实物图由于轮毂电机在转动时会有比较大的离心力,我们使用了铝型材和钢板搭建轮毂电机的安装平台,整体系统实物图如图9所示.
125图9轮毂电机闭环系统实物平台http://www.
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cn-7-中国科技论文在线4实验验证本文使用霍尔传感器及外置编码器分别进行了系统的恒速控制实验,在空载、带载(5N*M)时分别以霍尔传感器和光电编码器作为反馈器件进行闭环速度响应实验,实验结130果如图10、11所示.
(a)光电编码器带载恒速控制实验(b)光电编码器不带载恒速控制实验图10光电编码器恒速控制实验(a)霍尔编码器带载恒速控制实验(b)霍尔编码器不带载恒速控制实验图11霍尔传感器恒速控制实验5结论由实验结果可知外置编码器时,轮毂电机在以光电编码器为速度反馈器件时,在带载和不带载的情况下,响应更快,速度更平稳,证明本文设计的基于光电编码器做轮毂电机闭环控制系统反馈比轮毂电机自带的霍尔编码器闭环效果要更好.
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