The Research of the FFU System for Brushless DC Motor

Guoping Ye, Lili Liu Dept. of Electronic Information Engineering, Suzhou Vocational University, Suzhou, China

ygp@jssvc.edu.cn

Abstract: This paper describes design plan of the FFU based on brushless DC motor system, and designed a motor controller by DSP technology, obtained the conclusions of FFU by experiments based on brushless DC motor system.

Keywords: FFU; Brushless DC Motor; DSP

无刷直流电动机的 FFU 系统的研究

叶国平，刘莉莉

苏州职业大学，苏州，中国，215104

Email: ygp@jssvc.edu.cn

摘 要：本文介绍了基于无刷直流电动机的 FFU 系统的总体设计方案，并设计了一个应用 DSP 技术的

电机控制器，通过实验得出基于无刷直流电动机 FFU 系统的结论。

关键词：FFU；无刷直流电动机；DSP

1 引言

FFU 是 Fan Filter Unit 的缩写，中文称“风机过滤

器单元”，在净洁工程如食品、制药、电子等企业中

得到了广泛的应用。目前在国内使用的 FFU 系统大多

采用单相异步电动机驱动风机，其控制特性较差，且

运行成本较高。因此，笔者从节能、环保和高性能角

度出发，探讨采用基于无刷直流电动机驱动的 FFU 系

统[1]，应用于高等级的洁净环境中。

2 系统总体设计

FFU 大体可分为两大部分，即:上位机主控和下位

机风机控制。 主控采用 PC 机，通过控制软件对整个 FFU 系统

进行实时控制，其控制软件可运行于 Windows98 以上

的各操作系统，软件系统界面采用图形化设计，具有

如下功能：1）.用户分级功能，用户的使用权限分管

理员和用户级两种。管理员能设置 FFU 的各项参数，

对 FFU 系统进行布局管理。用户级只能查询 FFU 的

状态，开关 FFU 操作。2）. 向导功能，指导用户按先

后次序操作系统，通过布局平面图可层层进入各个局

部区域，观察各个区域的 FFU 的布局和运行状态，并

对一组 FFU 或单个 FFU 风机进行控制和监视。3）.故障报警功能，系统在启动和关闭时能自动分时运行，

避免大量 FFU 风机同时启动而造成瞬时大负荷。当出

现故障时，会显示故障 FFU 的组号和风机号。断电时，

能自动保存当时的工作状态，恢复供电后能自动按原

参数自动运行。

风机全部采用无刷直流电动机驱动，其控制器采

用 DSP 技术，控制器与主控 PC 机应用 Modbus 通信

协议，完成控制信号的输入和电机故障信号如过流、

欠压信号的输出等。

3 FFU 控制器设计

3.1 原理

单独一个无刷直流电机本体是无法正常工作的，

需要由专门的功率开关电路和转子位置传感器，这也

是无刷直流电机区别于普通直流电机和交流电机的主

要特征。功率开关电路可以根据绕组结构设计成半桥

或全桥型式，转子位置传感器采用霍尔磁敏元件，安

装霍尔元件的数量与相数相同，相位差在 360°电角

度范围内均匀分布。根据外部转速指令和转子位置传

感器的信息确定定子电枢各相绕组的导通顺序，从而

在 DSP 控制器的作用下将直流电逆变成 PWM 交流电

分配给各相绕组，这样定子电枢绕组产生的电枢磁场

可以驱动永磁转子旋转[2]。

3.2 硬件设计

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图 1 给出了三相无刷直流电机 DSP 控制结构框

图。其中三相无刷直流电机定子绕组为星形接法，虚

线内为控制器 DSP 完成的功能, DSP 芯片采用美国 TI

公司的 TMS320LF2407，驱动电路采用 IR 公司的专用

集成芯片 IR2130，逆变器采用三相桥式结构，转子位

置采用霍尔元件检测，并利用位置信号估算转子转速

以实现转速闭环控制。

Figure 1. Block diagram of DSP control for brushless DC motor

图 1 无刷直流电机 DSP 控制结构框图

DSP 芯片 TMS320LF2407 把高性能 DSP 内核和

微处理器的外围集成在一块芯片上，缩小了控制板尺

寸，提高了可靠性，降低了成本[3]。

3.3 软件设计

控制系统软件设计与硬件电路接口密切相关。三

相无刷直流电机两相导通模式的软件设计思想是根据

外部模拟量输入转速指令给定值以及转向要求确定转

速指令ω*，再利用转子位置传感器霍尔元件检测到的

转子位置信号变化估算出转子实际转速ω，并得到转

速误差信号Δω=ω*-ω；然后利用转速 PI 调节器计

算无刷直流电机母线电流参考指令*dcI ；同时采样直

流母线电流值 Idc；接着计算电流误差信号ΔI= *dcI -Idc，

利用电流 PI 调节器确定功率开关器件导通的占空比；

后根据霍尔元件信号以及直流母线指令电流产生转

矩的正负确定无刷直流电机定子绕组控制逻辑，输出

相应的 PWM 波形，使得转子按照控制的要求运行。

三相无刷直流电机采用两相通电模式，图 2 给出

了无刷直流电机控制波形图。图中三相反电势为梯形

波，梯形波平顶宽度为 120°电角，三相对称。霍尔

元件产生的波形为高低电平，高低电平各占 180°电

角，并且已经做了 30°电角的移相处理。控制电流为

理想方波，与梯形波反电势平顶等宽，相位根据产生

转矩正负的要求确定。指令转矩为正时，电流与反电

势同相；指令转矩为负时，电流与反电势反相。根据

霍尔元件信号确定编码 ABC（如 001～110），再根据

产生转矩正负的电流波形确定逆变器高低压侧功率开

关元件导通状态。在相同霍尔元件检测状态下，产生

负转矩的通电状态正好相反。

Figure 2. Waveform diagram of brushless DC motor

图 2 无刷直流电机控制波形图

进一步分析发现，当电机反转时，根据霍尔元件

状态，同样可以得到驱动时绕组通电状态与正转负转

矩的情况一样，而反转制动时绕组通电状态与正转正

转矩的情况相同。

DSP 芯片 TMS320LF2407 对无刷直流电动机的

主要控制任务为电流的采样、A/D 转换、转子速度计

算、位置捕获及 PWM 输出控制等。TMS320LF2407 的

整个控制系统的软件由主程序和中断子程序组成。主

程序主要负责系统的初始化、变量的初始化、事件管

理器的初始化及其它一些外设的初始化， 后进入循

环等待中断，而中断子程序主要包括转子位置捕获中

断和 A/D 转换中断。捕获中断负责监测转子位置、计

算速度和进行换相；ADC 中断完成对速度和电流的

调节，控制 PWM 输出。捕获中断和 A/D 转换中断

子程序流程框图如图 3 所示。

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Figure 3.Flowdiagram of software for brushless DC motor

图 3 无刷直流电机控制软件框图

4 结束语

在原来的单相交流电动机FFU系统中将本文设计

的一个无刷直流电动机控制器替换原控制器，并将其

控制的交流电动机改换成无刷直流电动机。调试正常

后，测得能耗仅为原电机的 40%，而风压却提高了

85%，噪声相当。不过成本增加了 56%，据此得出，

若将 FFU 系统全部改成无刷直流电动机驱动，一次性

投入将有所增加，但运行成本将大幅度下降，且噪声

也可以减小，笔者认为基于无刷直流电动机的 FFU 系

统是一种很有前途的方案，值得大力推广。

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