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摘要:本文基于無刷直流電機信號檢測系統(tǒng)的要求，首先給出了基于數(shù)字信號處理器的信號采集總體設(shè)計方案，而后設(shè)計了電機電壓、電流和轉(zhuǎn)速檢測電路，最后進行了實際調(diào)試，結(jié)果表明，該檢測系統(tǒng)精度高，穩(wěn)定可靠，具有較高的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞:無刷直流電機;信號檢測;數(shù)字信號處理器

通常無刷直流電機的檢測信號主要有直流母線電壓、電流和電機轉(zhuǎn)速等。目前大多數(shù)檢測系統(tǒng)以純電氣連接為過程通道，加以濾波等相關(guān)處理后直接進入單片機，由單片機進行運算處理，由于無電氣隔離，很容易使被測信號受到干擾，同時單片機的數(shù)據(jù)處理能力有限，無法實現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)字濾波算法，最終使測量精度較低，系統(tǒng)可靠性差。本系統(tǒng)采用具有較強數(shù)據(jù)處理能力的DSP作為主控CPU，以高性能線性光耦+高精度A/D+數(shù)字濾波器的方法實現(xiàn)檢測功能，不僅使檢測系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，并且檢測精度較高。

1檢測系統(tǒng)總方案設(shè)計

直流無刷電機信號檢測系統(tǒng)中直流母線電壓、電流以模擬量的形式首先通過以線性光耦HCNR200為核心的信號調(diào)理電路(包括信號的轉(zhuǎn)換、濾波、隔離、放大等)作用后進入DSP的高精度A/D外設(shè)進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，而轉(zhuǎn)速的檢測則通過電機內(nèi)部自帶的霍爾傳感器輸出脈沖信號，經(jīng)過相關(guān)處理進入DSP的EV外設(shè)的捕獲單元進行處理。為進一步提高信號檢測的精度，在DSP內(nèi)通過數(shù)字濾波器處理，最后得到信號的檢測值。

2直流母線電壓、電流檢測

2．1檢測電路工作原理

母線電壓、電流檢測電路主要包括前置處理、光耦隔離、輸出處理三部分電路構(gòu)成(如圖1.2所示)，其中第一部分電路由于測量對象不同而不同，，而后兩部分電路完全相同。在第一部分前置處理電路中，對電壓檢測而言主要通過電阻R1、R4和電容C4分別對待測電壓信號進行分壓和濾波處理;而對電流檢測而言首先通過采樣電阻R2將待測電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，通過穩(wěn)壓二極管D1穩(wěn)壓后經(jīng)R3、C5濾波電路濾波，而后經(jīng)由R28、R30及集成運放U2組成的負(fù)反饋放大電路進行隔離、放大處理，最后再經(jīng)R23、C9濾波輸出。在第二部分光耦隔離電路中R21、C7及集成運放U1構(gòu)成反饋電路，同時C7還可起到濾波作用，集成芯片U4即線性光耦HCNR200，U1的輸出經(jīng)R22限流后作為U4內(nèi)部LED的驅(qū)動電流，電阻R24則將輸出電流轉(zhuǎn)化為電壓輸出;在第三部分輸出處理電路中，由集成運放U3構(gòu)成電壓跟隨器，起到電壓隔離的作用，輸出電壓經(jīng)穩(wěn)壓管D2和電阻R26分別進行穩(wěn)壓和隔離后輸出，而后進入DSP進行A/D轉(zhuǎn)換。

2．2關(guān)鍵器件參數(shù)設(shè)計

集成運算放大器的選擇:根據(jù)HCNR200芯片的電氣參數(shù)可知，其內(nèi)部LED正常工作時的驅(qū)動電流要求為1～20mA，故集成運算放大器U1的輸出驅(qū)動電流必須亦達到20mA，而其其他運放U2、U3主要是對電壓信號進行隔離放大，故均選用LM358。電壓前置處理電路參數(shù)設(shè)計:由于電機母線電壓12V≤U≤36V，考慮到集成運放對輸入電壓的范圍限制，選擇合適的分壓電阻，同時為保證精度要求，參數(shù)設(shè)計為:R1=30K(0．5%)。電流前置處理電路參數(shù)設(shè)計:為保R4=2K(0．5%)證電機母線電流經(jīng)采樣電阻R2轉(zhuǎn)換后的電壓有較高的精度，同時考慮到集成運放對輸入電壓的范圍限制，同時電機的額定電流I≤4A，故選取R2=0．05Ω(2W，0．5%)，而考慮到母線電流為脈沖信號，為提高其精度，故對集成運放U2采用±15VG雙電源供電，同時考慮其電氣特性，其放大倍數(shù)設(shè)計為6，故可選用R28=2K(0．5%)，R30=10K(0．5%)。光耦隔離電路參數(shù)設(shè)計:由前置處理電路可知，本部分電路的輸入電壓Uin=U1+＜3V，為保證輸出電壓U3out≤3．3V，該部分的放大系數(shù)取n=1。以圖1為例，經(jīng)對HCNR200內(nèi)部分析計算，可取R21=R24=30K(1%)，而取R22=0．005R21=150Ω，經(jīng)調(diào)試，當(dāng)R22=200Ω時，試驗數(shù)據(jù)誤差最小。輸出處理電路參數(shù)設(shè)計:為保證由DSP不被外電路電壓燒毀，穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值U≤3．3V，故D2可選用IN4728，同時為保證DSP與調(diào)理電路的隔離，故R26選用0Ω磁珠。

3轉(zhuǎn)速檢測設(shè)計

直流無刷電機轉(zhuǎn)速的檢測主要基于均勻的分布在電機轉(zhuǎn)子上的霍爾位置傳感器，當(dāng)電機旋轉(zhuǎn)時，由于電磁感應(yīng)作用，其產(chǎn)生一定寬度的脈沖信號，將這些脈沖信號進行濾波、反向隔離、電阻分壓處理，最后進入DSP，DSP經(jīng)過其事件管理器外設(shè)對該脈沖信號進行邊沿捕獲，通過對一定時間內(nèi)脈沖信號的計數(shù)，從而獲得其轉(zhuǎn)速值。

4實際調(diào)試結(jié)果

將設(shè)計的檢測系統(tǒng)經(jīng)過制板調(diào)試后，不斷調(diào)節(jié)母線電壓和電機的運行轉(zhuǎn)速，通過檢測設(shè)備得到母線電壓、電流的實際值，同時記錄檢測系統(tǒng)的采樣值。測試結(jié)果表明:當(dāng)電機在不同轉(zhuǎn)速下運行時，母線電壓的采樣值相對于其實際值誤差≤0．5%以內(nèi)，母線電流的檢測誤差≤2%，完全滿足其要求。

5結(jié)語

本文根據(jù)直流無刷電機控制系統(tǒng)的要求設(shè)計了其直流母線電壓、電流及電機轉(zhuǎn)速的檢測電路，即首先通過調(diào)理電路對其進行隔離、放大、濾波等作用，然后將調(diào)理后的信號通過DSP進行A/D轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)過數(shù)字濾波處理得到其采集值。經(jīng)過多次試驗，該檢測電路不僅穩(wěn)定可靠，而且精度較高，完全滿足采集指標(biāo)，具有一定的應(yīng)用推廣價值。

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作者:方勝利 梅建偉 侯貿(mào)軍 單位:湖北汽車工業(yè)學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院