劉東輝，趙新偉，李天寶，趙爾男

(1.河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北石家莊 050018；2.中國(guó)環(huán)境管理干部學(xué)院信息工程系，河北秦皇島 066004)

無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)數(shù)控調(diào)速器設(shè)計(jì)

劉東輝1，趙新偉1，李天寶1，趙爾男2

(1.河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北石家莊 050018；2.中國(guó)環(huán)境管理干部學(xué)院信息工程系，河北秦皇島 066004)

本文在分析無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了硬件檢測(cè)電路和基于單片機(jī)的無(wú)刷直流電機(jī)數(shù)控調(diào)速器，并介紹此數(shù)控調(diào)速器的檢測(cè)及控制單元，并詳細(xì)介紹了此控制方案的反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)方法的實(shí)現(xiàn)以及單片機(jī)生成PWM信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)橋路的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中還添加了配套的上位機(jī)軟件。經(jīng)驗(yàn)證，調(diào)速器能夠完成電機(jī)調(diào)速、電源電壓欠壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、速度顯示以及上位機(jī)控制等一系列功能。

反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)； 無(wú)刷直流電機(jī)；數(shù)控調(diào)速；單片機(jī)； PWM

無(wú)刷直流電機(jī)是隨著半導(dǎo)體電子技術(shù)發(fā)展而出現(xiàn)的新型機(jī)電一體化電機(jī)，無(wú)刷電機(jī)以電子換相器取代了有刷直流電機(jī)的機(jī)械換相[1]，既保留了有刷直流電機(jī)的基本特性，又摒棄了機(jī)械換相器和電刷帶來(lái)的弊端。無(wú)刷直流電機(jī)以更高的效率、更小的尺寸、更快速的響應(yīng)和可以軟啟動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，為諸多行業(yè)提供了一種更具吸引力的選擇，逐步被人們接受[2-3]。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)含傳感器無(wú)刷直流電機(jī)在電機(jī)安放轉(zhuǎn)子位置傳感器時(shí)有諸多的問(wèn)題，而無(wú)位置傳感器控制方案是利用電樞繞組在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中產(chǎn)生感應(yīng)反電動(dòng)勢(shì)，間接獲得轉(zhuǎn)子的磁極位置[4]。此方案無(wú)需位置傳感器，簡(jiǎn)化電機(jī)結(jié)構(gòu)，因此得到了廣泛的應(yīng)用[5]。

本文旨在設(shè)計(jì)一種無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)數(shù)控調(diào)速器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制，降低無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，拓寬電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍，增加如低壓保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)等輔助功能，提升無(wú)刷直流電機(jī)的使用品質(zhì)，擴(kuò)大無(wú)刷直流電機(jī)的應(yīng)用空間。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)數(shù)控調(diào)速器，通過(guò)微處理器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，并顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速值。技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)包括反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)、電機(jī)啟動(dòng)算法。設(shè)計(jì)采用反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法獲取無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置，設(shè)計(jì)合理的采樣電路，準(zhǔn)確判斷電機(jī)轉(zhuǎn)子位置。電機(jī)啟動(dòng)算法需要零轉(zhuǎn)速的情況下，首先確定轉(zhuǎn)子位置，繼而順序通電，使電機(jī)獲得啟動(dòng)力矩，同時(shí)檢測(cè)電源電流，若電源電流超出額定限制，則關(guān)斷功率元件，重新啟動(dòng)。同時(shí)設(shè)計(jì)添加電源電壓欠壓保護(hù)，轉(zhuǎn)速顯示等功能。

根據(jù)設(shè)計(jì)的需求將調(diào)速裝置劃分為檢測(cè)驅(qū)動(dòng)單元和速度控制單元。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Overall system structure diagram

檢測(cè)驅(qū)動(dòng)單元由核心控制器、檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)和驅(qū)動(dòng)橋路組成[6]。其中核心控制器使用ATMega8單片機(jī)接收速度控制器發(fā)出的串行通信調(diào)速信號(hào)和脈沖寬度調(diào)制調(diào)速信號(hào)。驅(qū)動(dòng)橋路由MOSFET及其外圍電阻和三級(jí)管搭建，設(shè)置指示燈顯示各個(gè)MOSFET的通斷狀態(tài)。

速度控制單元包括以STC12C16AD單片機(jī)作為處理器的速度控制器、Windows系統(tǒng)上的上位機(jī)界面控制軟件。速度控制器通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)置不同的速度信號(hào)，利用串行通信發(fā)送調(diào)速信號(hào)至檢測(cè)驅(qū)動(dòng)單元，經(jīng)由1602LCD顯示當(dāng)前電機(jī)速度。上位機(jī)的功能與速度控制器相同，為電機(jī)功能擴(kuò)展和遠(yuǎn)程控制提供方便。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 檢測(cè)驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)

2.1硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要由核心控制器和驅(qū)動(dòng)橋路兩部分組成，包括ATMega8最小系統(tǒng)、過(guò)零檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)橋路電路、電源電壓電流檢測(cè)電路和電源模塊電路。

設(shè)計(jì)采用ATMega8主要基于以下3個(gè)方面[7]：

1)具有先進(jìn)的RISC 結(jié)構(gòu)，全靜態(tài)工作，足夠高的數(shù)據(jù)吞吐率；

2)2個(gè)獨(dú)立預(yù)分頻的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，三通道硬件PWM，用來(lái)產(chǎn)生程序中的三通道PWM控制信號(hào)[8]；

3)片內(nèi)模擬比較器，可用于采集無(wú)刷直流電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)的信號(hào)[9]，省去外圍電路中的模擬比較器部分，這是選用該單片機(jī)作為控制器的最主要原因。

2.2過(guò)零檢測(cè)電路

反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法基本原理就是在忽略永磁無(wú)刷直流電機(jī)電樞反應(yīng)影響的條件下，通過(guò)檢測(cè)“斷開(kāi)相”(逆變橋上下功率器件皆處于關(guān)斷狀態(tài)的一相)的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)，來(lái)依次獲得轉(zhuǎn)子的6個(gè)關(guān)鍵位置信號(hào)，輪流觸發(fā)導(dǎo)通逆變橋的6個(gè)功率管，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)[10]。在逆變橋供電的任一時(shí)刻，電機(jī)總有一相其上下橋臂均為斷開(kāi)狀態(tài)，即該相繞組是懸空的，因此該相繞組的相電壓等于其產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)。在忽略電樞反應(yīng)對(duì)氣隙磁場(chǎng)影響的條件下，近似認(rèn)為這一感生電動(dòng)勢(shì)即是該相繞組所產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)。反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)可以通過(guò)相電壓或者端電壓檢測(cè)得到。檢測(cè)到反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻，并加入適當(dāng)延遲，得到逆變橋功率器件的正確觸發(fā)時(shí)刻[11]。

圖2 反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)原理圖Fig.2 Counter electromotive force detection principle diagram

ATMega8單片機(jī)的片內(nèi)比較器的輸出可用來(lái)觸發(fā)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1的輸入捕捉功能；此外，比較器還可觸發(fā)自己專(zhuān)有的、獨(dú)立的中斷；用戶(hù)可以選擇比較器是以上升沿、下降沿還是交替變化的邊沿來(lái)觸發(fā)中斷[12]。

反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)原理圖如圖2所示。

motor_u，motor_v，motor_w分別連接無(wú)刷直流電機(jī)的U，V，W三相繞組，MITTEL為估測(cè)的變形后的中點(diǎn)電壓，與ATMega8單片機(jī)的模擬比較器正輸入端AIN0相接。使用單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器的A/D0，A/D1，A/D2作為模擬比較器復(fù)用輸入端，REV_U，REV_V，REV_W分別與單片機(jī)的A/D0，A/D1，A/D2連接。只要在U，V相通電期間開(kāi)通REV_W和MITTEL的比較，U，W相通電期間開(kāi)通REV_V和MITTLE的比較，V，W相通電期間開(kāi)通REV_W和MITTLE比較，就可以成功檢測(cè)出各相的過(guò)零事件。驅(qū)動(dòng)橋路電路圖如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)橋路電路圖Fig.3 Drive axle road circuit diagram

驅(qū)動(dòng)芯片選用Si4404和Si4405。Si4404是N-Channel MOSFET，額定電壓30 V，柵源電壓為0.45 V時(shí)，額定漏極電流達(dá)17 A。芯片內(nèi)部場(chǎng)效應(yīng)管旁反向并聯(lián)一個(gè)二極管，設(shè)計(jì)時(shí)省略外圍電路反向二極管的連接。

2.3檢測(cè)驅(qū)動(dòng)單元軟件設(shè)計(jì)

檢測(cè)驅(qū)動(dòng)單元的軟件部分包括主程序、反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)、啟動(dòng)程序、電源電壓及過(guò)流檢測(cè)程序、串口控制信號(hào)程序、PWM調(diào)速信號(hào)程序。

ATMega8主程序流程圖如圖4所示。

電源電壓、過(guò)流檢測(cè)是使用ATMega8單片機(jī)自帶的ADC功能實(shí)現(xiàn)的。單片機(jī)使用兩路ADC端口分別檢測(cè)TEST_BAT和REV_I端口，通過(guò)對(duì)采樣后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理?yè)Q算成對(duì)應(yīng)的電壓、電流值，然后與設(shè)定值進(jìn)行比較，依次檢測(cè)欠壓、過(guò)流現(xiàn)象，做出相應(yīng)處理，保護(hù)電機(jī)和電路。ATMega8電壓及過(guò)流檢測(cè)流程圖如圖5所示。

圖4 ATMega8主程序流程圖Fig.4 ATMega8 main program flow chart

圖5 ATMega8電壓過(guò)流檢測(cè)流程圖Fig.5 ATMega8 voltage overcurrent test flow chart

過(guò)零檢測(cè)動(dòng)作狀態(tài)對(duì)應(yīng)表如表1所示。過(guò)零檢測(cè)動(dòng)作流程圖如圖6所示。假設(shè)電機(jī)已處于正常旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，每次檢測(cè)到懸浮相的過(guò)零事件后，則會(huì)觸發(fā)進(jìn)入此程序。假設(shè)目前電機(jī)正處于U，V相通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)到1/2時(shí)W相的感生電動(dòng)勢(shì)會(huì)過(guò)零，此時(shí)motor_w端的電壓會(huì)低于MITTEL中點(diǎn)電壓，模擬比較器的輸出端產(chǎn)生一個(gè)上跳沿而觸發(fā)中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)程序[13]。

圖6 過(guò)零檢測(cè)動(dòng)作流程圖Fig.6 Zero test flow chart

表1 過(guò)零檢測(cè)動(dòng)作狀態(tài)對(duì)應(yīng)表

3 電機(jī)速度控制單元

速度控制單元部分的設(shè)計(jì)中，采用數(shù)字通信調(diào)速信號(hào)取代原先的PWM脈寬調(diào)制調(diào)速信號(hào)，在發(fā)揮了數(shù)字信號(hào)準(zhǔn)確、自校驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)下，保證信號(hào)傳輸準(zhǔn)確率。同時(shí)為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，設(shè)計(jì)中增加上位機(jī)控制功能，這也為集中控制奠定基礎(chǔ)。

圖7 STC單片機(jī)主函數(shù)程序流程圖Fig.7 STC MCU procedure flow charts of main function

圖8 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.8 Experiment system

速度控制器STC12C5A16AD單片機(jī)作為處理器，通過(guò)按鍵設(shè)置調(diào)速信號(hào)，通過(guò)串行通信接口發(fā)送給ATMega8單片機(jī)，并接收ATMega8單片機(jī)發(fā)出的電機(jī)實(shí)時(shí)速度信號(hào)，由1602液晶顯示。采用串口電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232將PC機(jī)RS-232電平的串口信號(hào)和單片機(jī)TTL電平的串口信號(hào)互相轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與單片機(jī)之間的互相連接與通信。STC12C5A16AD單片機(jī)需要完成2項(xiàng)工作:其一，檢測(cè)A/D鍵盤(pán)是否有按鍵按下，如檢測(cè)到有按鍵被按下，則在原先設(shè)置轉(zhuǎn)速值的基礎(chǔ)上執(zhí)行按鍵對(duì)應(yīng)操作，并在1602液晶上顯示出改變后的速度值，然后將該速度值發(fā)送到ATMega8單片機(jī)；其二，接收ATMega8單片機(jī)發(fā)送的電機(jī)速度信號(hào)，并在1602液晶上顯示。

STC單片機(jī)主函數(shù)程序流程圖如圖7所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖8所示。

在主函數(shù)中完成程序初始化、A/D鍵盤(pán)掃描、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化處理、把數(shù)據(jù)寫(xiě)入液晶顯示。如果有按鍵按下，執(zhí)行對(duì)應(yīng)按鍵的數(shù)據(jù)處理動(dòng)作，并將處理獲得速度值發(fā)送到ATMega8單片機(jī)。程序選擇循環(huán)掃描方式讀取A/D鍵盤(pán)，而非使能A/D中斷方式，這樣能夠保證串口通信不受干擾，而且循環(huán)掃描方式速度不會(huì)錯(cuò)誤判斷按鍵輸入信號(hào)[14]。檢測(cè)到有按鍵按下后，增加延時(shí)判斷，軟件消抖處理，避免按鍵抖動(dòng)帶來(lái)的錯(cuò)誤信號(hào)。

為增強(qiáng)無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速的人機(jī)交互操作能力[15]，也便于多電機(jī)的集中控制，使電機(jī)的控制更加簡(jiǎn)單明確，設(shè)計(jì)中添加上位機(jī)調(diào)速軟件，經(jīng)驗(yàn)證，能夠很好完成電機(jī)的速度控制。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)完成了一個(gè)無(wú)刷直流電機(jī)數(shù)控調(diào)速器，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)電路板、控制電路板、無(wú)刷直流電機(jī)、上位機(jī)構(gòu)成。經(jīng)驗(yàn)證，系統(tǒng)能夠完成一系列預(yù)定功能。

設(shè)計(jì)方案采用反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)方法取代位置傳感器，簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，降低成本。該數(shù)控調(diào)速器最終實(shí)現(xiàn)的功能包括：無(wú)刷電機(jī)調(diào)速功能、電源電壓欠壓保護(hù)功能、過(guò)流保護(hù)功能、速度顯示功能以及上位機(jī)控制功能。

本設(shè)計(jì)仍有可提高空間，調(diào)速性能方面可以加入超前角控制，優(yōu)化電機(jī)換相時(shí)電流波形，改善噪聲、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，提高整體的驅(qū)動(dòng)性能?？刂乒δ茇S富性方面由于引入了數(shù)字通信模式，可以加入不同的控制命令，如設(shè)置最大允許電流，讀取電流，根據(jù)電機(jī)性能設(shè)置電機(jī)工作模式，驗(yàn)證功率元件驅(qū)動(dòng)性能等。

/

[1] 夏長(zhǎng)亮. 無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

XIA Changliang. Brushless Dc Motor Control System[M].Beijing：Science Press，2009.

[2] 王向臣. 無(wú)刷直流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的研究[D].廣東：華南理工大學(xué)，2007.

WANG Xiangchen. Digital Control System of Brushless DC Motor (BLDCM) Research[D].Guangdong：South China University of Technology，2007.

[3] 黃 碩，郭立煒，劉玉坤,等. 基于ARM和旋轉(zhuǎn)濾波的異步電機(jī)故障檢測(cè)方法的研究[J].河北工業(yè)科技,2012，29(6)：406-410.

HUANG Shuo，GUO Liwei，LIU Yukun, et al. Fault detection method of induction motor based on ARM and rotating filter[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2012，29(6)：406-410.

[4] 胡文華，宋平崗. 無(wú)刷直流電機(jī)三次諧波位置檢測(cè)法[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，20(4)：59-61.

HU Wenhua，SONG Pinggang. Brushless DC motor position harmonic test three times[J].Journal of East China Jiaotong University, 2003,20(4)：59-61.

[5] KWANG-WOON L.Quality assurance testing for magnetization quality assessment of BLDC motors used in compressors[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2010,46(6)：2 452-2 458.

[6] PILLAY P，KRISHNAN R. Modeling,simulation,and analysis of permanent-magnet motor drives(Part Ⅱ): The brushless DC motor drive[J]. IEEE Trans on Industry Applications,1989,25(2)：265-273.

[7] 陳小忠，黃 寧，趙小俠. 單片機(jī)接口技術(shù)實(shí)用子程序[M].北京：人民郵電出版社，2005.

CHEN Xiaozhong，HUANG Ning，ZHAO Xiaoxia. MCU Interface Technology and Practical Subroutine[M].Beijing:People′s Posts and Telecommunications Publishing House,2005.

[8] 張 琛. 直流無(wú)刷電機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

ZHANG Chen. Brushless DC Motor Principle and Application [M].Beijing：Mechanical Industry Press，1992.

[9] 沈建新，呂曉春. 無(wú)傳感器無(wú)刷直流電機(jī)三段式啟動(dòng)技術(shù)的深入分析[J].微特電機(jī),2000(5)：18-21.

SHEN Jianxin，LYU Xiaochun. Sensorless brushless DC motor of three-step start up technology deeply analysis [J].Micro & Special Motor，2000(5):18-21.

[10] 曾成碧，潘一飛. 同步發(fā)電機(jī)模糊PID勵(lì)磁控制研究[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào),2010,31(6)：546-549.

ZENG Chengbi，PAN Yifei. Research in excitation control of synchronous generator based on fuzzy PID[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2010,31(6):546-549.

[11] SRYGLEY R B，THOMAS ALR. Uneonventional lift-denerating mechanisms in free-flying buttemies[J]. Nature,2002,20(12):8-12.

[12] NOBUYUKI M. Sensorless PM brushless DC motordriver[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,1996,43(2):300-308.

[13] 丁銀銀，白采玉，張持健. 基于單片機(jī)的多功能密碼輸入器的設(shè)計(jì)[J].河北工業(yè)科技,2012,29(3)：167-173.

DING Yinyin，BAI Caiyu，ZHANG Chijian. Design of multi-functional password input set based on STC89C52 microchip[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2012,29(3):167-173.

[14] NAGATA M, IWATA A． PWM signal processing architecture for intelligent systems[J].Computers & Electrical Engineering，1997，23(6)：393-405.

[15] 于國(guó)慶，張 穎，李永偉,等. 基于DSP的異步電機(jī)SVPWM控制系統(tǒng)及優(yōu)化研究[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012.33(3)：258-262.

YU Guoqing，ZHANG Ying，LI Yongwei et al. DSP-based SVPWM vector control system of asynchronous motor and its optimization[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2012,33(3):258-262.

Design of digital controller for sensorless brushless DC motor speed regulation

LIU Donghui1, ZHAO Xinwei1， LI Tianbao1, ZHAO Ernan2

(1.School of Electrical Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang Hebei 050018, China; 2.Department of Information Engineering, Environmental Management College of China, Qinhuangdao Hebei 066004, China)

Based on the analysis of brushless DC motor back-EMF detection method, the hardware detection circuit and the microcontroller-based digital speed controller of brushless DC motor are designed. The detection and control units of the digital speed controller are introduced respectively, and details of EMF detection methods and the realization of single-chip generating PWM signals to control the driving bridges in this control scheme are introduced. The design also adds the supporting PC software.. The result proves that the controller can realize the motor speed regulation, power supply voltage undervoltage protection, overcurrent protection, speed display, PC control and so on.

back-EMF detection； brushless DC motor； CNC control； MCU； PWM

1008-1542(2013)04-0302-06

10.7535/hbkd.2013yx04009

TM36+1

A

2013-03-18；

2013-05-28；責(zé)任編輯：李 穆

國(guó)家自然科學(xué)基金(51274144)

劉東輝(1971-)，男，山西晉城人，教授，博士，主要從事電機(jī)電器的智能控制、醫(yī)學(xué)信號(hào)處理、視頻監(jiān)控方面的研究。

E-mail: liu__donghui@126.com