基于單片機的無刷直流電動機速度控制系統設計

咸陽師范學院 田 凱 樊戰亭 張小青 李丁丁

基于單片機的無刷直流電動機速度控制系統設計

咸陽師范學院 田 凱 樊戰亭 張小青 李丁丁

【摘要】本文以STC12C5A60S2 單片機為核心設計出了無刷直流電動機速度控制系統，給出了控制系統總體方案。設計出了系統的硬件電路，包括由MOSFET構成三相逆變及其驅動電路、轉向及轉速給定電路和LCD顯示電路等，并給出了控制系統軟件流程。制作出了控制系統實物，驗證了本文所設計的控制系統能夠可靠驅動無刷直流電機可靠運行。

【關鍵詞】無刷直流電動機；單片機；控制系統

項目來源：咸陽師范學院大學生創新創業訓練項目（項目編號：201410722023）。

0 引言

直流電動機相比與交流電動機具有控制簡單、調速性能優良等優點，但是傳統的直流電動機采用電刷和換向器機械接觸式的結構進行換向，換向過程存在火花、噪聲和電磁干擾，對周圍電氣設備造成很大的影響。同時長時間運行電刷會產生磨損，需要定期檢查和更換。無刷直流電動機使用電子換向取代了機械換向，具有可靠性高、調速性能好等優點，在儀器儀表、機床、電動自行車等工業及民用領域中得打了比較廣泛的應用［1］。

無刷直流電動機的現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行控制。專用集成電路控制的特點是系統構成簡單、調試方便、性能穩定，但是專用集成電路以硬件方式完成對無刷直流電動機的控制，不具有可編程的特點，對速度的控制不精確，功能難以擴展。微處理器控制的優點控制規律主要由軟件實現、在硬件電路確定后，系統的升級可以通過軟件改進來實現，整個系統實現更加方便靈活［2］。本文設計了以STC12C5A60S2單片機核心的無刷直流電動機速度控制系統，以實現對無刷直流電機的調速控制。

1 控制系統總體設計

無刷直流電動機（BLDC）一般由電動機本體、轉子位置檢測器兩個部分主要組成。電動機本體包括定子電樞繞組和帶有永磁結構的轉子，轉子位置的檢測一般用3個位置相差1200霍爾位置傳感器來完成。要控制無刷直流電動機進行連續運轉，微處理器首先根據無刷直流電動機本身所帶有的位置傳感器測得的電機轉子位置再有序地觸發驅動逆變電路中的各個功率管，控制電機定子繞組進行有序換相，產生跳躍式旋轉磁場，與轉子上永磁體相互作用，以驅動無刷直流電動機連續工作。無刷直流電動機控制系統總體原理框圖，如圖1所示。

本設計采用了STC單片機STC12C5A60S2作為主控芯片，輸入控制包含轉向控制和轉速控制兩部分，轉向控制用來控制電機的正轉、反轉和停止，轉速控制控制BLDC的速度。轉子位置信號電路能夠根據BLDC中的三個霍爾元件產生的信號檢測出轉子位置信號，并輸入到單片機中。單片機根據電機轉子的位置及轉向、轉速控制信號，控制輸出信號，驅動電路把單片機輸出的控制信號進行放大，驅動三相逆變電路中MOSFET管的導通，控制無刷直流電動機進行電子換相，最終達到控制無刷直流電動機連續運轉的目的。 單片機利用通過檢測轉子位置信號計算出電機的實際轉速，并把轉速通過LCD 顯示器進行顯示。

圖1 無刷直流電動機控制系統總體原理框圖

2 控制系統硬件設計

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

圖2 無刷直流電動機控制系統硬件框圖

2.1 輸入控制部分

P1.1、P1.4和P1.0輸入口對應的控制按鈕按下時，相應輸入端口為零，分別控制BLDC電機的正轉、反轉和停止。P1.7接滑動變阻器給定的0～5V分壓輸入模擬信號，通過內部的8位AD轉換器轉換后控制P1.3輸出PWM波，控制電機的轉速。P3.5～P3.7分別接BLDC電機霍爾元件，用來檢測轉子的位置。

2.2 驅動及逆變電路部分

逆變電路由VT1、VT3、VT5三個P溝道MOSFET及VT2、VT4、VT6三個N溝道MOSFET組成。驅動電路主要由集電極開路驅動器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7407放大后控制三個P溝道MOSFET管的通斷。P1.3為單片機PWM波輸出，同時與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7407芯片放大后控制三個N溝道MOSFET管的通斷。如果P1.3輸出PWM波占空比較大，電機旋轉一圈通電時間長則電流大，電機轉速大。反之，占空比較小大，電機旋轉一圈通電時間短，電機轉速就小。

2.3 顯示部分

顯示部分主要由LCD1602構成，由單片機STC12C5A60S2的復用口P4.4～P4.7分別控制LCD1602的RS、RW和EN口，P0負責給LCD顯示器傳送數據。LCD顯示器主要顯示電機的正轉（left）、反轉（right）狀態及具體速度大小。

2.4 電路保護

為了防止出現逆變電路同一橋臂出現直通導致整個驅動電路出現短路的情況，接入了自恢復式熔斷器。當在整個電路電流超過1A時，自恢復熔斷器會自動斷開，當電路正常時自恢復式熔斷器就能夠恢復正常工作。

圖3 主程序流程框圖

主程序主要控制BLDC電機的正轉、反轉和停止，其中初始化程序包含I/O口、LCD、中斷測速、PWM寄存器等多個初始化過程。電機控制過程中，首先要確定正轉或反轉，正轉與反轉不能直接轉換，如果正反轉要進行轉換，需要把當前狀態先停止然后再轉換為相反的狀態。目的主要是防止正、反轉在直接轉換過程中逆變電路同一個橋臂出現直通情況，防止逆變電路出現短路的狀況。

圖4 轉向及轉速子程序框圖

圖5 測速及顯示中斷子程序框圖

圖4所示為電機轉向機轉速子程序框圖，P1.7端口把轉速給定電壓通過單片機內部8位AD轉換為數字量，再讀取霍爾元件的狀態確定電機轉子的位置，轉換后的數字量與單片機內部給定值相比作為PWM波的占空比，通過P1.3口進行輸出，控制7409芯片的1B、2B和3B端口，就可以控制電機的轉速。最后單片機根據主程序中的轉向信號和霍爾元件檢出的轉子信號給P2.0～P2.5寫控制字就能夠控制電機的轉向［4］。圖5為測速及顯示中斷子程序，對單片機的定時中斷進行循環調用，構成一個1秒的定時，同時確定一個霍爾元件的狀態位，每檢測到此狀態時轉速就加1，1秒結束后對轉速進行顯示，同時把計數清零進入下一個1秒的測速。

4 系統測試及結論

無刷直流電動機控制系統實物如圖6所示。進行系統測試時，首先給系統上電，然后選擇正（left）轉或反（right）轉確定電機的轉向，再手動旋轉實物圖中的左下端按鈕改變P1.7口輸入轉速控制電壓，用來控制系統的轉速，轉速能夠通過LCD進行顯示。系統能夠實現5～80r/s之間的轉速調節。為了達到某一給定轉速，能夠通過調節綠色按鈕及LCD顯示結果進行比較實現較為準確的速度控制。

圖6 無刷直流電動機控制系統實物圖

文中以STC12C5A60S2 單片機為核心設計了無刷直流電動機控制系統，包括由MOSFET構成三相逆變及其驅動電路、轉向及轉速給定電路和LCD顯示電路等，并給出了控制系統軟件流程。通過制作控制系統實物驗證了本文所設計的控制系統能夠可靠驅動無刷直流電機可靠運行。

參考文獻

［1］張琛.直流無刷電動機原理及應用［M］.北京∶機械工業出版社，2006.

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

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

［4］盧靜，陳非凡，張高飛，施涌潮.基于單片機的無刷直流電動機控制系統設計［J］.北京機械工業學院學報，2002（12）∶44-47.

作者簡介：

田凱（1994—），陜西西安人，大學本科，現就讀于咸陽師范學院，曾獲國家大學生電子競賽陜西賽區二等獎。