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摘要：本文基于无刷直流电机信号检测系统的要求，首先给出了基于数字信号处理器的信号采集总体设计方案，而后设计了电机电压、电流和转速检测电路，最后进行了实际调试，结果表明，该检测系统精度高，稳定可靠，具有较高的应用价值。
关键词：无刷直流电机；信号检测；数字信号处理器
通常无刷直流电机的检测信号主要有直流母线电压、电流和电机转速等。目前大多数检测系统以纯电气连接为过程通道，加以滤波等相关处理后直接进入单片机，由单片机进行运算处理，由于无电气隔离，很容易使被测信号受到干扰，同时单片机的数据处理能力有限，无法实现复杂的数字滤波算法，最终使测量精度较低，系统可靠性差。本系统采用具有较强数据处理能力的DSP作为主控CPU，以高性能线性光耦+高精度A/D+数字滤波器的方法实现检测功能，不仅使检测系统稳定可靠，并且检测精度较高。
1 检测系统总方案设计
直流无刷电机信号检测系统中直流母线电压、电流以模拟量的形式首先通过以线性光耦HCNR200为核心的信号调理电路（包括信号的转换、滤波、隔离、放大等）作用后进入DSP的高精度A/D外设进行模数转换，而转速的检测则通过电机内部自带的霍尔传感器输出脉冲信号，经过相关处理进入DSP的EV外设的捕获单元进行处理。为进一步提高信号检测的精度，在DSP内通过数字滤波器处理，最后得到信号的检测值。
2 直流母线电压、电流检测
2.1 检测电路工作原理
母线电压、电流检测电路主要包括前置处理、光耦隔离、输出处理三部分电路构成（如图12所示），其中第一部分电路由于测量对象不同而不同，，而后两部分电路完全相同。在第一部分前置处理电路中，对电压检测而言主要通过电阻R1、R4和电容C4分别对待测电压信号进行分压和滤波处理；而对电流检测而言首先通过采样电阻R2将待测电流信号转换成电压信号，通过稳压二极管D1稳压后经R3、C5滤波电路滤波，而后经由R28、R30及集成运放U2组成的负反馈放大电路进行隔离、放大处理，最后再经R23、C9滤波输出。在第二部分光耦隔离电路中R21、C7及集成運放U1构成反馈电路，同时C7还可起到滤波作用，集成芯片U4即线性光耦HCNR200，U1的输出经R22限流后作为U4内部LED的驱动电流，电阻R24则将输出电流转化为电压输出；在第三部分输出处理电路中，由集成运放U3构成电压跟随器，起到电压隔离的作用，输出电压经稳压管D2和电阻R26分别进行稳压和隔离后输出，而后进入DSP进行A/D转换。
2.2 关键器件参数设计
集成运算放大器的选择：根据HCNR200芯片的电气参数可知，其内部LED正常工作时的驱动电流要求为1～20mA，故集成运算放大器U1的输出驱动电流必须亦达到20mA，而其其他运放U2、U3主要是对电压信号进行隔离放大，故均选用LM358。
电压前置处理电路参数设计：由于电机母线电压12V≤U≤36V，考虑到集成运放对输入电压的范围限制，选择合适的分压电阻，同时为保证精度要求，参数设计为：R1=30K（0.5%）。
电流前置处理电路参数设计：为保R4=2K（0.5%）证电机母线电流经采样电阻R2转换后的电压有较高的精度，同时考虑到集成运放对输入电压的范围限制，同时电机的额定电流I≤4A，故选取R2=0.05Ω（2W，0.5%），而考虑到母线电流为脉冲信号，为提高其精度，故对集成运放U2采用±15VG双电源供电，同时考虑其电气特性，其放大倍数设计为6，故可选用R28=2K（0.5%），R30=10K（0.5%）。
光耦隔离电路参数设计：由前置处理电路可知，本部分电路的输入电压Uin=U1+<3V，为保证输出电压U3out≤3.3V，该部分的放大系数取n=1。以图1为例，经对HCNR200内部分析计算，可取R21=R24=30K（1%），而取R22=0.005R21=150Ω，经调试，当R22=200Ω时，试验数据误差最小。
输出处理电路参数设计：为保证由DSP不被外电路电压烧毁，稳压二极管的稳压值U≤3.3V，故D2可选用IN4728，同时为保证DSP与调理电路的隔离，故R26选用0Ω磁珠。
3 转速检测设计
直流无刷电机转速的检测主要基于均匀的分布在电机转子上的霍尔位置传感器，当电机旋转时，由于电磁感应作用，其产生一定宽度的脉冲信号，将这些脉冲信号进行滤波、反向隔离、电阻分压处理，最后进入DSP，DSP经过其事件管理器外设对该脉冲信号进行边沿捕获，通过对一定时间内脉冲信号的计数，从而获得其转速值。
4 实际调试结果
将设计的检测系统经过制板调试后，不断调节母线电压和电机的运行转速，通过检测设备得到母线电压、电流的实际值，同时记录检测系统的采样值。测试结果表明：当电机在不同转速下运行时，母线电压的采样值相对于其实际值误差≤0.5%以内，母线电流的检测误差≤2%，完全满足其要求。
5 结语
本文根据直流无刷电机控制系统的要求设计了其直流母线电压、电流及电机转速的检测电路，即首先通过调理电路对其进行隔离、放大、滤波等作用，然后将调理后的信号通过DSP进行A/D转换，然后经过数字滤波处理得到其采集值。经过多次试验，该检测电路不仅稳定可靠，而且精度较高，完全满足采集指标，具有一定的应用推广价值。
参考文献：
[1]谭建成.永磁无刷电机技术[M].北京：机械工业出版社，2011：285297.
[2]房晔.电子技术基础（模拟部分）[M].北京：中国电力出版社，2011：118127.
[3]胡景春.DSP技术及应用系统设计[M].北京：机械工业出版社，2010：123156.
[4]杨晨娜.无刷直流电机电流测量的探究[J].西安：西安职业技术学院，2014.
作者简介：方胜利（1987），男，汉族，湖北十堰人，硕士，助教，研究方向：电机与电气控制。
关键词：无刷直流电机；信号检测；数字信号处理器
通常无刷直流电机的检测信号主要有直流母线电压、电流和电机转速等。目前大多数检测系统以纯电气连接为过程通道，加以滤波等相关处理后直接进入单片机，由单片机进行运算处理，由于无电气隔离，很容易使被测信号受到干扰，同时单片机的数据处理能力有限，无法实现复杂的数字滤波算法，最终使测量精度较低，系统可靠性差。本系统采用具有较强数据处理能力的DSP作为主控CPU，以高性能线性光耦+高精度A/D+数字滤波器的方法实现检测功能，不仅使检测系统稳定可靠，并且检测精度较高。
1 检测系统总方案设计
直流无刷电机信号检测系统中直流母线电压、电流以模拟量的形式首先通过以线性光耦HCNR200为核心的信号调理电路（包括信号的转换、滤波、隔离、放大等）作用后进入DSP的高精度A/D外设进行模数转换，而转速的检测则通过电机内部自带的霍尔传感器输出脉冲信号，经过相关处理进入DSP的EV外设的捕获单元进行处理。为进一步提高信号检测的精度，在DSP内通过数字滤波器处理，最后得到信号的检测值。
2 直流母线电压、电流检测
2.1 检测电路工作原理
母线电压、电流检测电路主要包括前置处理、光耦隔离、输出处理三部分电路构成（如图12所示），其中第一部分电路由于测量对象不同而不同，，而后两部分电路完全相同。在第一部分前置处理电路中，对电压检测而言主要通过电阻R1、R4和电容C4分别对待测电压信号进行分压和滤波处理；而对电流检测而言首先通过采样电阻R2将待测电流信号转换成电压信号，通过稳压二极管D1稳压后经R3、C5滤波电路滤波，而后经由R28、R30及集成运放U2组成的负反馈放大电路进行隔离、放大处理，最后再经R23、C9滤波输出。在第二部分光耦隔离电路中R21、C7及集成運放U1构成反馈电路，同时C7还可起到滤波作用，集成芯片U4即线性光耦HCNR200，U1的输出经R22限流后作为U4内部LED的驱动电流，电阻R24则将输出电流转化为电压输出；在第三部分输出处理电路中，由集成运放U3构成电压跟随器，起到电压隔离的作用，输出电压经稳压管D2和电阻R26分别进行稳压和隔离后输出，而后进入DSP进行A/D转换。
2.2 关键器件参数设计
集成运算放大器的选择：根据HCNR200芯片的电气参数可知，其内部LED正常工作时的驱动电流要求为1～20mA，故集成运算放大器U1的输出驱动电流必须亦达到20mA，而其其他运放U2、U3主要是对电压信号进行隔离放大，故均选用LM358。
电压前置处理电路参数设计：由于电机母线电压12V≤U≤36V，考虑到集成运放对输入电压的范围限制，选择合适的分压电阻，同时为保证精度要求，参数设计为：R1=30K（0.5%）。
电流前置处理电路参数设计：为保R4=2K（0.5%）证电机母线电流经采样电阻R2转换后的电压有较高的精度，同时考虑到集成运放对输入电压的范围限制，同时电机的额定电流I≤4A，故选取R2=0.05Ω（2W，0.5%），而考虑到母线电流为脉冲信号，为提高其精度，故对集成运放U2采用±15VG双电源供电，同时考虑其电气特性，其放大倍数设计为6，故可选用R28=2K（0.5%），R30=10K（0.5%）。
光耦隔离电路参数设计：由前置处理电路可知，本部分电路的输入电压Uin=U1+<3V，为保证输出电压U3out≤3.3V，该部分的放大系数取n=1。以图1为例，经对HCNR200内部分析计算，可取R21=R24=30K（1%），而取R22=0.005R21=150Ω，经调试，当R22=200Ω时，试验数据误差最小。
输出处理电路参数设计：为保证由DSP不被外电路电压烧毁，稳压二极管的稳压值U≤3.3V，故D2可选用IN4728，同时为保证DSP与调理电路的隔离，故R26选用0Ω磁珠。
3 转速检测设计
直流无刷电机转速的检测主要基于均匀的分布在电机转子上的霍尔位置传感器，当电机旋转时，由于电磁感应作用，其产生一定宽度的脉冲信号，将这些脉冲信号进行滤波、反向隔离、电阻分压处理，最后进入DSP，DSP经过其事件管理器外设对该脉冲信号进行边沿捕获，通过对一定时间内脉冲信号的计数，从而获得其转速值。
4 实际调试结果
将设计的检测系统经过制板调试后，不断调节母线电压和电机的运行转速，通过检测设备得到母线电压、电流的实际值，同时记录检测系统的采样值。测试结果表明：当电机在不同转速下运行时，母线电压的采样值相对于其实际值误差≤0.5%以内，母线电流的检测误差≤2%，完全满足其要求。
5 结语
本文根据直流无刷电机控制系统的要求设计了其直流母线电压、电流及电机转速的检测电路，即首先通过调理电路对其进行隔离、放大、滤波等作用，然后将调理后的信号通过DSP进行A/D转换，然后经过数字滤波处理得到其采集值。经过多次试验，该检测电路不仅稳定可靠，而且精度较高，完全满足采集指标，具有一定的应用推广价值。
参考文献：
[1]谭建成.永磁无刷电机技术[M].北京：机械工业出版社，2011：285297.
[2]房晔.电子技术基础（模拟部分）[M].北京：中国电力出版社，2011：118127.
[3]胡景春.DSP技术及应用系统设计[M].北京：机械工业出版社，2010：123156.
[4]杨晨娜.无刷直流电机电流测量的探究[J].西安：西安职业技术学院，2014.
作者简介：方胜利（1987），男，汉族，湖北十堰人，硕士，助教，研究方向：电机与电气控制。