榮 軍, 李一鳴, 萬軍華, 萬 力, 王 峰

(1. 湖南理工學院 信息與通信工程學院, 湖南 岳陽 414006; 2. 湖南理工學院 計算機學院, 湖南 岳陽 414006; 3. 工程車輛輕量化與可靠性技術(shù)湖南省高校重點實驗室, 長沙 410014 )

永磁無刷直流電機數(shù)字調(diào)速器的設(shè)計與實現(xiàn)

榮 軍1,3, 李一鳴2,3, 萬軍華1,3, 萬 力1,3, 王 峰1,3

(1. 湖南理工學院 信息與通信工程學院, 湖南 岳陽 414006; 2. 湖南理工學院 計算機學院, 湖南 岳陽 414006; 3. 工程車輛輕量化與可靠性技術(shù)湖南省高校重點實驗室, 長沙 410014 )

設(shè)計了一個以C8051F330單片機為控制核心的永磁無刷直流電機(無刷馬達)電子調(diào)速器, 實現(xiàn)了將PPM信號轉(zhuǎn)化為PWM信號來實時調(diào)控電機轉(zhuǎn)速的電子調(diào)速系統(tǒng). 系統(tǒng)硬件采用模塊化設(shè)計, 主要包括單片機控制模塊、電源供電模塊、電機驅(qū)動模塊以及零點檢測模塊等部分. 在完成整個系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計后, 制作出實物并進行了測試, 實驗結(jié)果表明數(shù)字控制電子調(diào)速系統(tǒng)具有設(shè)計簡單, 調(diào)速穩(wěn)定以及性價比高的特點.

永磁無刷直流電機; 數(shù)字控制; 電子調(diào)速器; 脈沖寬調(diào)制

永磁無刷直流電機也稱永磁馬達, 由于其具有調(diào)速性能好、運行效率高以及維護方便等優(yōu)點, 在汽車行業(yè)比如汽車風扇、汽車車身控制以及電動汽車等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用[1,2]. 永磁無刷直流電機的控制方式有三種: 1)專用模擬控制芯片; 2)單片機; 3)數(shù)字信號處理器. 利用專用模擬控制芯片的電機控制系統(tǒng)設(shè)計過程簡單, 缺點是使用功能受到限制, 不能擴展. 數(shù)字信號處理器設(shè)計的電機控制系統(tǒng)優(yōu)點是外圍電路設(shè)計簡單、運算速度快, 缺點是控制算法復雜, 生產(chǎn)成本高. 而基于單片機的電機控制系統(tǒng)設(shè)計容易, 擴展性好, 性價比高, 因此在永磁無刷直流電機控制領(lǐng)域有很高的應(yīng)用價值[3～5]. 鑒于此, 本文設(shè)計基于單片機C8051F330的簡易數(shù)字電機控制系統(tǒng), 完成了其硬件電路和軟件程序的設(shè)計, 并給出了實驗測試結(jié)果. 實驗結(jié)果表明該電機控制系統(tǒng)具有調(diào)速性能穩(wěn)定, 設(shè)計方便以及生產(chǎn)成本低廉的特點.

1 系統(tǒng)實現(xiàn)及硬件電路設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框圖

數(shù)字控制無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)總體框架如圖1所示. 整個設(shè)計主要包括電機電子調(diào)速控制電路, 電機驅(qū)動電路, 零點檢測電路以及電源供電電路等電路設(shè)計.

圖1 系統(tǒng)總體框圖

1.2 基于C8051F330控制電路的設(shè)計

基于單片機C8051F330電機控制電路原理圖如圖2所示. 圖中的C8051F330芯片每個引腳都有特定的第二引腳功能, 根據(jù)第二功能的特性, 能夠規(guī)劃每個引腳的管理.1.3 電源電路設(shè)計

圖2 C8051F330控制電路原理圖

外部電源支持2～4節(jié)鋰電池(6V～14.8V)輸入,它主要是用來提供電機的驅(qū)動電壓,控制器的供電電壓(+3.3V)以及BEC接口處的+5V電壓. 因為穩(wěn)壓的幅度差比較大, 所以穩(wěn)壓的降壓特性需要很好, 故選取的芯片在這方面都具有特殊的性能. 根據(jù)以上要求, 本文分別采用了LM2576-5.0、LY6206-3.3和 SX1308來設(shè)計開關(guān)穩(wěn)壓電源、線性穩(wěn)壓電源以及驅(qū)動MOS管所需的升壓電源[6].

(1) 開關(guān)電源電路設(shè)計

由于該系統(tǒng)對電源功率和供電電流有特殊要求, 所以本設(shè)計特意選擇了一款穩(wěn)5V的開關(guān)型降壓芯片LM2576-5.0, 其設(shè)計電路如圖3所示. LM2576系列IC是美國德州儀器公司生產(chǎn)的3A電流輸出的降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片, 它內(nèi)部具有基準穩(wěn)壓器(1.23V)和固定頻率振蕩器(52kHz), 并且具有完善的保護電路,包含熱關(guān)斷及電流限制電路等. 使用該器件時只需要極少的外圍器件, 即可構(gòu)成高效的穩(wěn)壓電路.

圖3 開關(guān)電源電路設(shè)計原理圖

(2) 線性電源電路設(shè)計

因為主控制器C8051F330單片機的正常運行電壓范圍是2.7～3.6V, 所以需要單獨為該控制器提供一個穩(wěn)定的3.3V電源. 為此本文選擇了LY6206-3.3V的線性穩(wěn)壓IC, 得到一個3.3V的穩(wěn)壓源. 基于LY6206的線性電源電路原理圖如圖4所示.

圖4 線性電源電路設(shè)計原理圖

(3) 升壓電路設(shè)計

因為該電子調(diào)速器設(shè)計是由MOS場效應(yīng)管做驅(qū)動電路的, 而設(shè)計中所選用的該款MOS管AON6512所需的驅(qū)動電壓不能低于10V, 所以本文中特意選擇了升壓芯片SX1308, 用來做MOS管的驅(qū)動源, 該款I(lǐng)C的升壓電路圖如圖5所示.

1.4 電機驅(qū)動電路設(shè)計

由于電機運轉(zhuǎn)的時候內(nèi)阻非常小, 所以會產(chǎn)生很大的電流. 為了提高調(diào)速器的驅(qū)動能力, 本文利用6個N型MOS功率場效應(yīng)管AON6512驅(qū)動一項, 即每三個MOS管并聯(lián)起來作為一個半橋, 因此三項共需要18個MOS管, 其部分電機驅(qū)動電路原理圖如圖6所示.

1.5 過零點檢測電路設(shè)計

過零點檢測即反電動勢的檢測. 反電動勢檢測需要不停的檢測比較U相、V相以及W相端與中點的電壓, 以獲取某一個相的感應(yīng)電動勢的過零點事件所發(fā)生的時間. 一般的無刷電機都是利用三個比較器不停的比較檢測過零事件. 本文的設(shè)計并不需要使用三個比較器, 原因在于三個相位每次的過零事件的時間是不相同的, 完全可以利用一個比較器不停地切換到下次要發(fā)生過零事件的相位上. 本設(shè)計中就是利用C8051F330自帶的比較器, 通過相位的不停切換來實現(xiàn)過零事件的檢測. 檢測電路如圖7所示.

圖5 升壓電路設(shè)計原理圖

圖6 電機驅(qū)動電路原理圖

2 軟件程序設(shè)計

軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計主要包括初始化程序、主程序和中斷服務(wù)子程序. 中斷程序由ADC 中斷、捕獲單元中斷、定時器溢出中斷、串行口中斷、功率保護中斷及速度調(diào)節(jié)子程序組成, 程序流程圖如圖8所示[7,8].

圖7 過零檢測電路原理圖

圖8 程序主流程圖

3 實驗結(jié)果及分析

在完成硬件電路設(shè)計以及軟件程序后, 制作出實物并給出了實驗結(jié)果如圖9～11所示. 其中圖9為示波器接收到的PPM輸出信號, 包括一個低電平信號和一個高電平信號, 由低電平信號和高電平信號構(gòu)成一個一個運算周期, 從圖中可以看出高電平信號遠遠大于低電平信號. 圖9中形成的PPM信號被送入單片機C8051F330進行分析和運算. 圖10為PWM輸出控制信號, 它是由單片機C8051F330將PPM信號進行分析解碼, 然后編程輸出的PWM信號, 控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)PWM控制信號可以實現(xiàn)電機運轉(zhuǎn)以及調(diào)速. 圖11為過零點檢測的電壓測試波形, 從圖11中可以明顯看出過零點檢測電路能測試出其反電動勢為零的準確時間點, 從而為電機的精確換相創(chuàng)造條件.

圖9 PPM輸出信號波形

圖10 PWM輸出信號波形

圖11 過零點電壓檢測波形

4 結(jié)論

本文基于單片機C8051F330設(shè)計了一個永磁無刷直流電機數(shù)字控制電子調(diào)速器. 整個系統(tǒng)包括電源管理, 信號解析, 電機調(diào)速, 保護設(shè)置, 編程模式等幾大部分. 電源管理部分因為各個部分對電源的需求不同, 分別采用了線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源, 用來提高電源的效率; 信號解析是對輸入的PPM信號進行分析解碼, 將分析結(jié)果用來做無刷直流電機電子調(diào)速器的控制信號; 電機調(diào)速主要是利用控制器C8051F330產(chǎn)生不同占空比的PWM信號, 并用該PWM信號來控制半橋驅(qū)動芯片IR2103S, 使其起到開關(guān)作用, 再通過該快關(guān)信號來控制N溝道MOS場效應(yīng)管AON6512的導通與截止, 從而達到對無刷電機進行調(diào)速的效果. 保護設(shè)置主要是對系統(tǒng)在瞬間大提速時產(chǎn)生大電流、高速運轉(zhuǎn)時外界操作不當以及控制信號丟失時防止系統(tǒng)被燒壞和人員遭到傷害, 系統(tǒng)自動檢測并做出相應(yīng)的處理和報警; 編程模式主要是用來使系統(tǒng)能夠自動識別不同的無刷電機, 并自動設(shè)置相關(guān)的參數(shù), 以便能達到更好的效益.

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[8] 王建校. 51系列單片機及C51程序設(shè)計[M]. 北京: 科學出版社, 2002

Design and Implementation of Digital Speed Regulator for Permanent Magnet Brushless DC Motor

RONG Jun1,3, LI Yi-ming2,3, WAN Jun-hua1,3, WAN Li1,3, WANG Feng1,3
(1.College of Information and Communication Engineering, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, China; 2. College of Computer Science, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, China; 3. Key Laboratory of Lightweight and Reliability Technology for Engineering Vehicle, College of Hunan Province, Changsha 410014, China)

The electronic speed regulator based on SCM of C8051F330 is designed for permanent magnet brushless DC motor (brushless motor), and can realize the electronic speed control system that the PWM signal being translated form the input signal of PPM real-time controls the motor speed. The hardware of the system adopts the modular design, which mainly includes the SCM control module, the power supply module, the motor driver module and the zero detection module. After the design of the hardware and software of the whole system, the material is made and tested, and the experimental results showed that the digital controlling system of the electronic speed system has the characteristics of simple design, stable speed regulation and high performance ratio.

permanent magnet brushless DC motor(BLDCM); digital control; electronic speed regulator; pulse width modulation

TM361

: A

: 1672-5298(2015)04-0037-04

2015-08-29

工程車輛輕量化與可靠性技術(shù)湖南省高校重點實驗室基金 (2014kfjj01); 湖南省教育廳一般項目(15C0620, 15C0622)

榮 軍(1978? ), 男, 湖南岳陽人, 碩士, 湖南理工學院信息與通信工程學院講師. 主要研究方向: 開關(guān)電源及電機控制技術(shù)