咸陽師范學(xué)院 田 凱 樊戰(zhàn)亭 張小青 李丁丁

基于單片機(jī)的無刷直流電動(dòng)機(jī)速度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

咸陽師范學(xué)院 田 凱 樊戰(zhàn)亭 張小青 李丁丁

【摘要】本文以STC12C5A60S2 單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)出了無刷直流電動(dòng)機(jī)速度控制系統(tǒng)，給出了控制系統(tǒng)總體方案。設(shè)計(jì)出了系統(tǒng)的硬件電路，包括由MOSFET構(gòu)成三相逆變及其驅(qū)動(dòng)電路、轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速給定電路和LCD顯示電路等，并給出了控制系統(tǒng)軟件流程。制作出了控制系統(tǒng)實(shí)物，驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能夠可靠驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)可靠運(yùn)行。

【關(guān)鍵詞】無刷直流電動(dòng)機(jī)；單片機(jī)；控制系統(tǒng)

項(xiàng)目來源：咸陽師范學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：201410722023）。

0 引言

直流電動(dòng)機(jī)相比與交流電動(dòng)機(jī)具有控制簡單、調(diào)速性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，但是傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)采用電刷和換向器機(jī)械接觸式的結(jié)構(gòu)進(jìn)行換向，換向過程存在火花、噪聲和電磁干擾，對周圍電氣設(shè)備造成很大的影響。同時(shí)長時(shí)間運(yùn)行電刷會(huì)產(chǎn)生磨損，需要定期檢查和更換。無刷直流電動(dòng)機(jī)使用電子換向取代了機(jī)械換向，具有可靠性高、調(diào)速性能好等優(yōu)點(diǎn)，在儀器儀表、機(jī)床、電動(dòng)自行車等工業(yè)及民用領(lǐng)域中得打了比較廣泛的應(yīng)用［1］。

無刷直流電動(dòng)機(jī)的現(xiàn)在的控制主要分為兩種：一種是采用專用集成電路，還有一種是采用微處理器進(jìn)行控制。專用集成電路控制的特點(diǎn)是系統(tǒng)構(gòu)成簡單、調(diào)試方便、性能穩(wěn)定，但是專用集成電路以硬件方式完成對無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制，不具有可編程的特點(diǎn)，對速度的控制不精確，功能難以擴(kuò)展。微處理器控制的優(yōu)點(diǎn)控制規(guī)律主要由軟件實(shí)現(xiàn)、在硬件電路確定后，系統(tǒng)的升級可以通過軟件改進(jìn)來實(shí)現(xiàn)，整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更加方便靈活［2］。本文設(shè)計(jì)了以STC12C5A60S2單片機(jī)核心的無刷直流電動(dòng)機(jī)速度控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對無刷直流電機(jī)的調(diào)速控制。

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

無刷直流電動(dòng)機(jī)（BLDC）一般由電動(dòng)機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置檢測器兩個(gè)部分主要組成。電動(dòng)機(jī)本體包括定子電樞繞組和帶有永磁結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子位置的檢測一般用3個(gè)位置相差1200霍爾位置傳感器來完成。要控制無刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，微處理器首先根據(jù)無刷直流電動(dòng)機(jī)本身所帶有的位置傳感器測得的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置再有序地觸發(fā)驅(qū)動(dòng)逆變電路中的各個(gè)功率管，控制電機(jī)定子繞組進(jìn)行有序換相，產(chǎn)生跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場，與轉(zhuǎn)子上永磁體相互作用，以驅(qū)動(dòng)無刷直流電動(dòng)機(jī)連續(xù)工作。無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)總體原理框圖，如圖1所示。

本設(shè)計(jì)采用了STC單片機(jī)STC12C5A60S2作為主控芯片，輸入控制包含轉(zhuǎn)向控制和轉(zhuǎn)速控制兩部分，轉(zhuǎn)向控制用來控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止，轉(zhuǎn)速控制控制BLDC的速度。轉(zhuǎn)子位置信號電路能夠根據(jù)BLDC中的三個(gè)霍爾元件產(chǎn)生的信號檢測出轉(zhuǎn)子位置信號，并輸入到單片機(jī)中。單片機(jī)根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置及轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速控制信號，控制輸出信號，驅(qū)動(dòng)電路把單片機(jī)輸出的控制信號進(jìn)行放大，驅(qū)動(dòng)三相逆變電路中MOSFET管的導(dǎo)通，控制無刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行電子換相，最終達(dá)到控制無刷直流電動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的目的。 單片機(jī)利用通過檢測轉(zhuǎn)子位置信號計(jì)算出電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，并把轉(zhuǎn)速通過LCD 顯示器進(jìn)行顯示。

圖1 無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)總體原理框圖

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的核心為STC公司單片機(jī)STC12C5A60S2，它有著快速高效、較低的功率消耗以及非常強(qiáng)的抗干擾能力的特征，是8051系列單片機(jī)芯片的增強(qiáng)型，它的程序和一般的8051系列單片機(jī)可以相融合，而且效率更高；還有兩路PWM，以及8路的最高10位A/D轉(zhuǎn)換其速度可達(dá)250kHZ，適用于電機(jī)控制和強(qiáng)干擾場合［3］?？刂葡到y(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

圖2 無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)硬件框圖

2.1 輸入控制部分

P1.1、P1.4和P1.0輸入口對應(yīng)的控制按鈕按下時(shí)，相應(yīng)輸入端口為零，分別控制BLDC電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止。P1.7接滑動(dòng)變阻器給定的0～5V分壓輸入模擬信號，通過內(nèi)部的8位AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后控制P1.3輸出PWM波，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。P3.5～P3.7分別接BLDC電機(jī)霍爾元件，用來檢測轉(zhuǎn)子的位置。

2.2 驅(qū)動(dòng)及逆變電路部分

逆變電路由VT1、VT3、VT5三個(gè)P溝道MOSFET及VT2、VT4、VT6三個(gè)N溝道MOSFET組成。驅(qū)動(dòng)電路主要由集電極開路驅(qū)動(dòng)器7407及與門7409組成，7407輸出控制部分均需要接上拉電阻完成控制信號的放大輸出。由P2.3～P2.5輸出控制端經(jīng)7407放大后控制三個(gè)P溝道MOSFET管的通斷。P1.3為單片機(jī)PWM波輸出，同時(shí)與7409中1B、2B和3B相連，再分別于P2.0～P2.2輸出口相連接的1A、2A、3A端相與后經(jīng)7407芯片放大后控制三個(gè)N溝道MOSFET管的通斷。如果P1.3輸出PWM波占空比較大，電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈通電時(shí)間長則電流大，電機(jī)轉(zhuǎn)速大。反之，占空比較小大，電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈通電時(shí)間短，電機(jī)轉(zhuǎn)速就小。

2.3 顯示部分

顯示部分主要由LCD1602構(gòu)成，由單片機(jī)STC12C5A60S2的復(fù)用口P4.4～P4.7分別控制LCD1602的RS、RW和EN口，P0負(fù)責(zé)給LCD顯示器傳送數(shù)據(jù)。LCD顯示器主要顯示電機(jī)的正轉(zhuǎn)（left）、反轉(zhuǎn)（right）狀態(tài)及具體速度大小。

2.4 電路保護(hù)

為了防止出現(xiàn)逆變電路同一橋臂出現(xiàn)直通導(dǎo)致整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路出現(xiàn)短路的情況，接入了自恢復(fù)式熔斷器。當(dāng)在整個(gè)電路電流超過1A時(shí)，自恢復(fù)熔斷器會(huì)自動(dòng)斷開，當(dāng)電路正常時(shí)自恢復(fù)式熔斷器就能夠恢復(fù)正常工作。

圖3 主程序流程框圖

主程序主要控制BLDC電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止，其中初始化程序包含I/O口、LCD、中斷測速、PWM寄存器等多個(gè)初始化過程。電機(jī)控制過程中，首先要確定正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)不能直接轉(zhuǎn)換，如果正反轉(zhuǎn)要進(jìn)行轉(zhuǎn)換，需要把當(dāng)前狀態(tài)先停止然后再轉(zhuǎn)換為相反的狀態(tài)。目的主要是防止正、反轉(zhuǎn)在直接轉(zhuǎn)換過程中逆變電路同一個(gè)橋臂出現(xiàn)直通情況，防止逆變電路出現(xiàn)短路的狀況。

圖4 轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速子程序框圖

圖5 測速及顯示中斷子程序框圖

圖4所示為電機(jī)轉(zhuǎn)向機(jī)轉(zhuǎn)速子程序框圖，P1.7端口把轉(zhuǎn)速給定電壓通過單片機(jī)內(nèi)部8位AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再讀取霍爾元件的狀態(tài)確定電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量與單片機(jī)內(nèi)部給定值相比作為PWM波的占空比，通過P1.3口進(jìn)行輸出，控制7409芯片的1B、2B和3B端口，就可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。最后單片機(jī)根據(jù)主程序中的轉(zhuǎn)向信號和霍爾元件檢出的轉(zhuǎn)子信號給P2.0～P2.5寫控制字就能夠控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向［4］。圖5為測速及顯示中斷子程序，對單片機(jī)的定時(shí)中斷進(jìn)行循環(huán)調(diào)用，構(gòu)成一個(gè)1秒的定時(shí)，同時(shí)確定一個(gè)霍爾元件的狀態(tài)位，每檢測到此狀態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)速就加1，1秒結(jié)束后對轉(zhuǎn)速進(jìn)行顯示，同時(shí)把計(jì)數(shù)清零進(jìn)入下一個(gè)1秒的測速。

4 系統(tǒng)測試及結(jié)論

無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)物如圖6所示。進(jìn)行系統(tǒng)測試時(shí)，首先給系統(tǒng)上電，然后選擇正（left）轉(zhuǎn)或反（right）轉(zhuǎn)確定電機(jī)的轉(zhuǎn)向，再手動(dòng)旋轉(zhuǎn)實(shí)物圖中的左下端按鈕改變P1.7口輸入轉(zhuǎn)速控制電壓，用來控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速能夠通過LCD進(jìn)行顯示。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)5～80r/s之間的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。為了達(dá)到某一給定轉(zhuǎn)速，能夠通過調(diào)節(jié)綠色按鈕及LCD顯示結(jié)果進(jìn)行比較實(shí)現(xiàn)較為準(zhǔn)確的速度控制。

圖6 無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)物圖

文中以STC12C5A60S2 單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)了無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，包括由MOSFET構(gòu)成三相逆變及其驅(qū)動(dòng)電路、轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速給定電路和LCD顯示電路等，并給出了控制系統(tǒng)軟件流程。通過制作控制系統(tǒng)實(shí)物驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能夠可靠驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)可靠運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

［1］張琛.直流無刷電動(dòng)機(jī)原理及應(yīng)用［M］.北京∶機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［2］孫建忠，白鳳仙.特種電機(jī)及其控制［M］.北京∶中國水利水電出版社，2005.

［3］宏晶公司.STC12C5A60S2系列單片機(jī)器件手冊［M］.2011.

［4］盧靜，陳非凡，張高飛，施涌潮.基于單片機(jī)的無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.北京機(jī)械工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2002（12）∶44-47.

作者簡介：

田凱（1994—），陜西西安人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于咸陽師范學(xué)院，曾獲國家大學(xué)生電子競賽陜西賽區(qū)二等獎(jiǎng)。