呂仲軍， 劉澤潮

(石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

基于PIC單片機(jī)的直流無刷電機(jī)驅(qū)動控制器

呂仲軍， 劉澤潮

(石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

介紹了一種基于PIC18Fxx單片機(jī)的直流無刷電機(jī)的控制器；實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的過流保護(hù)、欠壓保護(hù)、PWM調(diào)速和速度閉環(huán)控制；設(shè)計了主要的硬件電路；并給出了部分軟件流程圖。通過實(shí)驗(yàn)與仿真驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。

直流無刷電機(jī)；PWM；閉環(huán)控制；單片機(jī)

0 引言

通常意義上將反電勢為梯形波的永磁同步電機(jī)稱為直流無刷電機(jī)。直流無刷電機(jī)是一種結(jié)合了直流電機(jī)和交流電機(jī)優(yōu)點(diǎn)的改進(jìn)型電機(jī)，直流無刷電機(jī)用電子換相器取代了機(jī)械換向器與電刷，運(yùn)行可靠，維護(hù)簡便。PIC18Fxx系列單片機(jī)是由Microchip公司推出的8位處理芯片，最高主頻達(dá)到64 Mhz可以用作電機(jī)驅(qū)動控制芯片。IR2130是IR公司推出的MOSFET驅(qū)動芯片，內(nèi)部具有欠壓鎖定電流、過流檢測電路和電流放大電路。PID控制可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度閉環(huán)控制，使電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在一個固定值。

1 直流無刷電機(jī)結(jié)構(gòu)與原理

1.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)

直流無刷電機(jī)由電機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子換相電路三部分組成。

電機(jī)本體主要包括定子和轉(zhuǎn)子兩部分[1]。定子是指電機(jī)本體的靜止部分，由導(dǎo)磁的定子鐵心、導(dǎo)電的電樞繞組及機(jī)殼、絕緣片、引出線、環(huán)氧樹脂等組成。轉(zhuǎn)子是電機(jī)的轉(zhuǎn)動部分，由永磁體、導(dǎo)磁體和支撐部件組成。

轉(zhuǎn)子位置傳感器主要有三類[1]：①電磁式位置傳感器；②光電式位置傳感器；③磁敏式位置傳感器。霍爾傳感器由于結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，成本低，正成為直流無刷電機(jī)最主要的位置傳感器。

電子換相由信號調(diào)理電路、換相邏輯處理電路、功率器件等組成。由于位置傳感器輸出的信號強(qiáng)度弱，所以必須經(jīng)過信號調(diào)理電路對信號進(jìn)行放大。換相邏輯處理電路可以由專用的直流無刷電機(jī)控制芯片或者單片機(jī)、數(shù)字信號處理器等構(gòu)成。功率器件為定子繞組提供電流。

1.2 電機(jī)原理

直流無刷電機(jī)定子為繞組，轉(zhuǎn)子為永磁體。理論上來說定子磁場超前轉(zhuǎn)子磁場90°所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩最大。隨著轉(zhuǎn)子位置的改變，位置傳感器輸出對應(yīng)的轉(zhuǎn)子位置信號，換相邏輯處理電路通過對位置信號進(jìn)行處理確定應(yīng)當(dāng)導(dǎo)通的繞組。功率驅(qū)動電路來導(dǎo)通定子繞組，產(chǎn)生定子磁場。定子磁場與轉(zhuǎn)子磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)[2]。

圖1 三相直流無刷電機(jī)原理圖

直流無刷電機(jī)的原理圖如圖1所示，當(dāng)電流從A相流入繞組從B相流出時，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律所產(chǎn)生的電磁作用力為A-B方向，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，位置傳感器輸出信號改變，改變導(dǎo)通繞組，電流由A相流入從C相流出，所產(chǎn)生的電磁作用力為A-C所示方向。隨著導(dǎo)通繞組的不斷改變，所產(chǎn)生的電磁作用力的方向不斷改變，在電磁作用力的作用下轉(zhuǎn)子不斷旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 硬件設(shè)計

2.1 單片機(jī)控制電路

采用Microchip公司的PIC18Fxx系列單片機(jī)，該單片機(jī)具有最高64 MHz的CPU頻率，可以實(shí)現(xiàn)霍爾信號的采集與電機(jī)的驅(qū)動控制[3]。單片機(jī)控制電路圖如圖2所示，OSC1與OSC2為單片機(jī)的外部晶振接口，外接24 MHz晶振的兩端。RC2、RC6、RC7為PWM輸出端，為上橋臂的三個功率管提供PWM信號。RD0、RD1、RD2為下橋臂三個功率管的開關(guān)提供信號。RB4為模擬輸入通道，用來進(jìn)行相電流的采樣。RC5為普通IO口，接收來自IR2130的錯誤報警信號。RB0、RB1、RB2為霍爾信號輸入端，接收經(jīng)過處理的霍爾信號。

圖2 單片機(jī)控制電路圖

2.2 驅(qū)動電路

功率器件的驅(qū)動電路由IR2130的MOSFET驅(qū)動電路和MOSFET的橋式驅(qū)動電路兩部分組成。

單片機(jī)引腳的輸出能力有限無法直接驅(qū)動MOSFET，所以在單片機(jī)與電機(jī)驅(qū)動電路之間加上一個MOSFET驅(qū)動芯片IR2130[4]。IR2130是IR公司生產(chǎn)的MOSFET、IGBT功率器件專用柵極驅(qū)動芯片，通過自舉電路使其既能驅(qū)動橋式電路中低壓側(cè)的功率器件，又能驅(qū)動高壓側(cè)的功率器件。同時其具有電流放大及過電流保護(hù)功能、欠壓鎖定功能、自動死區(qū)時間等功能。

三相星形聯(lián)結(jié)全橋式驅(qū)動電路圖[5]如圖3所示，全橋式驅(qū)動電路由6個MOSFET構(gòu)成，每次導(dǎo)通兩個MOSFET[6]。以Q1為例，從IR2130引腳出來的驅(qū)動信號經(jīng)過柵極驅(qū)動電阻R1送給Q1的柵極。D1為快速恢復(fù)二極管，可以加快Q1的關(guān)斷速度。在Q1的柵極與源極間并聯(lián)了一個電阻R2和一個二極管D2，電阻R2可以減小柵極與源極間的阻抗，而二極管D2可以防止Q1被尖峰電壓擊穿。為了防止在開關(guān)瞬間漏極的尖峰電壓，所以在源極和漏極間加入C1、R3緩沖電路與保護(hù)二極管D3。R19為電流采樣電阻，通過對R19的端電壓進(jìn)行測量來實(shí)現(xiàn)相電流采樣。

3 軟件設(shè)計

3.1 霍爾信號采集子程序

霍爾信號的采集通過單片機(jī)的外部中斷端口來實(shí)現(xiàn)。PIC單片機(jī)的中斷優(yōu)先級分為高優(yōu)先級中斷和低優(yōu)先級中斷[6]。PIC18Fxx單片機(jī)有兩個中斷入口地址，產(chǎn)生高優(yōu)先級中斷時指針自動跳轉(zhuǎn)到08H；產(chǎn)生低優(yōu)先級中斷時指針自動跳轉(zhuǎn)到18H。為了保證電機(jī)的正常換相，所有霍爾信號采集端口均配置為高優(yōu)先級中斷。在初始化時，根據(jù)當(dāng)前的霍爾信號的狀態(tài)配置外部中斷觸發(fā)方式?；魻栃盘枮榈碗娖綍r配置為上升沿觸發(fā)；霍爾信號為高電平時配置為下降沿觸發(fā)[7]。換相子程序流程圖如圖4所示。

圖3 三相星形聯(lián)結(jié)橋式驅(qū)動電路 圖4 換相子程序流程圖

中斷響應(yīng)后指針跳轉(zhuǎn)到高優(yōu)先級中斷入口地址。進(jìn)入中斷后首先讀取當(dāng)前霍爾信號值，調(diào)用換相控制子程序。然后判斷觸發(fā)中斷源，重新配置中斷觸發(fā)方式，為下次中斷做準(zhǔn)備。清中斷標(biāo)志位，等待下次中斷響應(yīng)。

3.2 換相邏輯控制

常用的三相直流無刷電機(jī)為三相六狀態(tài)?；魻栃盘柕妮敵霾ㄐ闻c傳感器的安裝方式和轉(zhuǎn)子的極對數(shù)有關(guān)。當(dāng)極對數(shù)為1時，霍爾信號的相位角為180°。隨著極對數(shù)的改變，霍爾信號的相位角也在發(fā)生改變[5]。

直流無刷電機(jī)通過改變定子繞組的導(dǎo)通順序來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。定子繞組采用“二二”導(dǎo)通方式，即在每個導(dǎo)通時間內(nèi)有兩個功率器件導(dǎo)通。PWM控制方式采用H_PWM-L_ON調(diào)制方式。上橋臂功率管進(jìn)行PWM控制，下橋臂開關(guān)管保持常開。三相六步控制真值表[2]如表1所示。

表1 三相六步控制真值表

3.3 速度閉環(huán)控制

在電機(jī)的伺服控制系統(tǒng)中要求電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速恒定在一個固定數(shù)值。如果采用開環(huán)控制系統(tǒng)當(dāng)外界的負(fù)載發(fā)生變化時電機(jī)的轉(zhuǎn)速會發(fā)生波動，閉環(huán)控制系統(tǒng)可以使電機(jī)快速恢復(fù)到設(shè)定轉(zhuǎn)速。PID控制即比例積分微分控制，作為一種經(jīng)典的控制理論具有較好的魯棒性。P控制為比例控制，可以對誤差進(jìn)行放大。I控制為積分控制，可以對誤差進(jìn)行累計，消除穩(wěn)態(tài)誤差。D控制為微分控制，可以對誤差進(jìn)行預(yù)判，對系統(tǒng)進(jìn)行超前校正。在無法準(zhǔn)確的建立電機(jī)模型的前提下通過調(diào)節(jié)合適的比例、積分、微分系數(shù)，可以使電機(jī)擁有較好的瞬態(tài)響應(yīng)特性與穩(wěn)態(tài)誤差。由于現(xiàn)在的電機(jī)控制系統(tǒng)大部分采用的是數(shù)字控制系統(tǒng)，所以PID控制也相應(yīng)的發(fā)展為數(shù)字PID控制。典型的數(shù)字式PID控制系統(tǒng)有增量式PID和位置式PID[7]。增量式PID的運(yùn)算結(jié)果只與當(dāng)前狀態(tài)和前兩拍狀態(tài)有關(guān)，所以消除了位置式PID存在的積分飽和現(xiàn)象。

位置式PID公式如下

(1)

增量式PID公式如下

(2)

4 實(shí)驗(yàn)與仿真

速度PID仿真圖如圖5所示，可以看出系統(tǒng)在較短的時間內(nèi)達(dá)到了穩(wěn)態(tài)，無超調(diào)與穩(wěn)態(tài)誤差。當(dāng)t=140 s時，加入外界擾動，在很短時間內(nèi)系統(tǒng)重新達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

轉(zhuǎn)子位置信號如圖6所示，通道1、2、3分別為三個霍爾傳感器輸出的位置信號。直流無刷電機(jī)的極對數(shù)為2，霍爾傳感器采用間隔120°方式安裝，轉(zhuǎn)子位置信號相角為30°。

圖5 速度PID仿真圖 圖6 轉(zhuǎn)子位置信號

5 總結(jié)

介紹了以PIC18Fxx為核心的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了霍爾信號采集、電機(jī)過流保護(hù)、PID閉環(huán)控制。經(jīng)過調(diào)理的霍爾信號穩(wěn)定，過流保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的過流保護(hù)，PID速度閉環(huán)控制有效的抑制了電機(jī)的轉(zhuǎn)速波動。通過實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)性能可靠、抗干擾性強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。

[1]劉剛,王志強(qiáng),房建成.永磁直流無刷電機(jī)控制技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[2]吳俊卿,張浩然,范宇龍.基于PIC16F877的電動自行車控制器的設(shè)計電子器件[J].電子器件,2010,33:642-645.

[3]劉和平,劉林. PIC18Fxxx單片機(jī)原理及接口程序設(shè)計[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004.

[4]曹仁賢,茆美琴,許沐華.六輸出高壓驅(qū)動器IR2130的應(yīng)用[J].國外電子元器件,1996(9):30-32.

[5] 王海欣,黃海宏.基于DSP的三相直流無刷電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計[J].電源技術(shù)應(yīng)用,2007,10(9):21-24

[6] 鐘曉偉,宋蟄存,許剛. 電動自行車用無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電機(jī)與控制應(yīng)用,2011,38(1):20-24.

[7] 劉佳峰,謝楊華. 直流無刷電機(jī)換相時機(jī)的調(diào)整[J].電機(jī)技術(shù),2006(3):27-30.

(責(zé)任編輯 車軒玉)

Brushless DC Motor Controller Based on PIC MCU

Lv Zhongjun， Liu Zechao

(School of Mechanical Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China)

This paper introduces a brushless DC motor controller based on the PIC18Fxx MCU. The Motor Hall signal acquisition, overcurrent protection, undervoltage protection, PWM speed control and speed closed-loop control are realized. The main hardware circuit and the flowchart of software are designed. The reliability and stability of the system is verified by experiment and simulation.

BLDC;PWM;closed-loop control；MCU

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2014.03.16

2013-05-20

呂仲軍 男 1963年出生 副教授

TM33，U464.9

A

2095-0373(2014)03-0075-05