基于單片機的永磁無刷直流電機控制系統設計

韓武君

遼寧錦州渤海大學工學院

基于單片機的永磁無刷直流電機控制系統設計

韓武君

遼寧錦州渤海大學工學院

本文設計基于單片機的永磁無刷直流電機控制系統，主要對系統的硬件部分進行了設計。系統選用低功耗、高效率的單片機MSP430F149作為電機的控制器。對系統結構、功能及工作原理進行描述，主要研究了無刷電機的設計過程。

永磁無刷直流電機 MSP430f149 硬件設計

1 引言

永磁無刷直流電機(Permanent Magnet Brushless DC Motor, PMBLDCM)是強大的現代科技發展的推動下的產物，是一種功能特性更為優良的電動機。它的出現標志著無刷直流電機（Brushless DC Motor，BLDCM）的誕生。其結構與直流電機只是略有不同，無刷直流電機的轉子采用永磁材料制成的永磁體，電樞繞組放在定子上。從而使得無刷直流電機的性能較之前有了空前的提高，彌補了舊式直流電機的不足，滿足了市場對直流電機的技術要求。

2 永磁無刷直流電機簡介

2.1 電機本體結構

永磁無刷直流電機的電機本體主要組成部分有定子繞組、外殼、轉子永磁體、驅動軸、霍爾傳感器等。由于定子上的電樞與永磁無刷直流電機相反，因而其具有固定的電樞和旋轉磁場，無刷直流電機的電樞繞組置于定子上，本文主要討論三相的形式。電樞繞組采用集中繞組的形式，三相繞組其在空間上通過的與此同時，與之相對應的三相電流隨之在相對應的空間也會形成旋轉磁場，它的同步轉速n0與定子電流頻率f關系為：

其中Pn為電機極對數，本課題采用的是四級。鐵芯磁極是由0.5mm鋼板沖壓疊片形成，并與勵磁繞組的繞組桿的兩個終端接收兩個集電環，然后通過靜電刷和集電環相引出，其中由連接方式是NSNS樣式排列的直流勵磁電源供電。

2.2 電動機組成

無刷直流電動機是由電動機本體（定子為電樞和轉子和永磁體）、位置傳感器和電子換向線路三大部分組成。圖1為電機基本組成圖，電機的運行就是依賴圖中所示的電路部分。

圖1 電動機的組成圖

3 系統硬件設計

永磁無刷直流電機的硬件部分主要涉及主電路和輔助電路的設計以及單片機的選擇。控制系統的控制器選用低功耗、高效率的16位單片機MSP430F149。主電路包括功率驅動電路和逆變電路，輔助電路主要有檢測電路和保護電路，另外還有必要的鍵盤輸入電路和顯示電路。將這些電路相應的連接到MSP430F149芯片上，即完成了硬件部分的設計。電路的作用是可讓永磁無刷直流電機正常的運行，并且可以實現正反轉控制、調速控制、換相控制。硬件系統總體框圖如圖2所示：

圖2 硬件控制系統總體框圖

3.1 控制系統設計

本系統的控制器采用MSP430F149單片機。主電路由驅動電路、逆變器、永磁無刷直流電機等構成。逆變電路選擇六個IGBT搭建而成，MSP430F149控制器工作時，發出觸發脈沖，將直流電壓逆變成電機需要的交流電壓。控制電路則由MSP430F149控制器進行控制。在對控制系統設計過程中，要遵循控制系統設計原則，即輕量化，高效化以及無噪音化，功率開關器件采用的是絕緣柵雙極晶體管IGBT，可以利用IGBT的通斷控制功能，達到對輸出電壓和頻率的控制。

3.2 主電路的設計

在對無刷直流電機控制系統設計時，應首先設計主電路，主電路在系統運行過程中起到能量交換、驅動電動機工作的作用，是強電電路。主電路部分主要是逆變電路，其功能是將接入的直流電轉變為供電機工作的交流電，以此來實現電機控制。

在對控制系統設計過程中，要遵循控制系統設計原則，即輕量化，高效化以及無噪音化，根據這些要求，本模塊逆變電路的功率開關器件采用的是IGBT。IGBT優點眾多，開關速度快，屬于理想型電壓控制器件，開關安全區比較大，驅動電路比較簡單，適用于高頻變流裝置。

3.3 信號檢測電路的設計

信號檢測電路主要測量永磁無刷電機的轉速、轉子位置等參數，作為反饋信息輸入到控制器成為控制算法的依據。在本文所研究的無刷直流電機的控制系統中，為了實現電流反饋閉環控制，系統就要求控制器可以對定子繞組中的實際三相電流進行實時觀測。直接檢測式霍爾電流傳感器工作時，若被檢測電流很大，系統要求磁路不能飽和，保證測量的線性度，所以設計者需要加大鐵芯截面積，這就不可避免的使得檢測裝置體積過大，不利于傳感器的應用。可以通過LEM模塊把磁放大器、互感器、電子線路和霍爾元件組合在了一起，這種集成保證測量范圍大的同時，又擁有反應速度快的優點。

本課題選用LTSR6-NP型電流傳感器，定子繞組的電流信號首先經過電流傳感器采樣，轉化為電壓信號。MSP430F149的AD采樣范圍是0-3.3V，而采樣獲得的電壓信號大小是0～4.5V。所以，在本課題設計的電流檢測電路中，系統采樣獲得的電壓信號要調制到-3～0V，利用運算放大器可以達到要求，再經過另一個運算放大器，使范圍是-3~0V的電壓信號反向等比例放大到0～3V，最終，經過二極管保護電路，信號輸入MSP430F149芯片的ADC模塊。通過12864顯示模塊顯示出來以便實時監測。以上就是電流檢測電路的基本工作過程。電流檢測電路如圖3所示。

圖3 電流檢測電路

3.4 保護電路的設計

保護電路的設計是電機控制系統正常運行的的重要保障，電路保護包括電壓保護和電流保護。本課題主電路的逆變器的開關元件由高頻電力電子器件IGBT構成，系統工作時，對開關元件進行通斷操作，可以控制輸出電壓和頻率，要求定子里的正弦電流產生的磁通和轉子磁場實時相差90°，這就達到了矢量控制的目的。

由圖4可以看出，霍爾電流傳感器HNC025A經整流濾波轉換過來的電壓信號作為了保護電路的輸入，輸入信號AI_IN，即待比較電壓，它加到反相輸入端，在同相輸入端接一個電阻和滑動變阻器以及一個5V的電源，調節滑動變阻器WR5的值即可調節保護電路的值，當輸入電壓AI_IN>U+時，運放輸出信號為低電平。根據光耦作用，副邊的三極管輸入電流增大，三極管導通，輸出端產生高電平信號，經過施密特觸發器閾值比較，最后輸出為低電平有效，實現過流保護。施密特觸發器的過流是嚴重的電路故障。圖4是電流保護檢測電路。右端輸出信號可與MSP430F149上任一引腳相連，沒有固定的連接引腳。

圖4 電流檢測保護電路

3.5 鍵盤輸入電路設計

電機的正常運行不僅依賴于其他硬件模塊的設計，還需要一個很重要的部分，鍵盤電路。控制電機系統的運行不只是需要復位鍵，還需要很多可以向控制系統輸入運行參數的按鍵，以便隨時掌握電機的運行狀態，鍵盤電路由鍵盤接口電路、鍵盤和鍵盤掃描程序組成。由于程序設計到的只有無各按鍵，因此硬件設計只需五個按鍵電路即可，鍵盤的基本工作原理是利用動、靜觸點之間的接觸與斷開來實現按鈕兩引腳的通斷，動靜觸點的接觸與斷開又手按按鈕和松開這一動作實現。本電路和控制系統的MSP430F149的連接非常簡單，彼此有相應的引腳，直接連接即可。

4 結論

本文設計完成了永磁無刷直流電機的設計與實現，對系統的設計進行了詳細的闡述，研究了永磁無刷直流電機控制系統的基礎理論，包括永磁無刷直流電機的結構、工作原理和控制方法等，完成了系統的設計。

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