基于單片機(jī)的無刷電機(jī)控制

(西南石油大學(xué) 四川 成都 610500)

引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和提高，人們對(duì)于無刷直流電機(jī)的要求也越來越高，無刷直流電機(jī)的出現(xiàn)滿足了人們這一要求，無刷直流電機(jī)的最大特點(diǎn)就是采用了電子換向器替代了直流電機(jī)的機(jī)械換向器，這樣做的目的是為了避免產(chǎn)生電磁干擾，導(dǎo)致電刷損壞等問題，無刷直流電機(jī)的產(chǎn)生延長(zhǎng)了電機(jī)需要定期維護(hù)修理的時(shí)間，同時(shí)也使電機(jī)的使用時(shí)間得到了很大程度上的提高。直流電機(jī)控制和交流電機(jī)控制組成了電動(dòng)機(jī)的總系統(tǒng)控制。電動(dòng)機(jī)是電機(jī)控制系統(tǒng)核心，而電機(jī)又有直流電機(jī)和交流電機(jī)，在驅(qū)動(dòng)裝置中到底是采用直流機(jī)還是采用交流機(jī)呢？?jī)烧呦啾戎驴芍绷麟妱?dòng)機(jī)擁有更加穩(wěn)定的調(diào)速功能，其結(jié)構(gòu)與交流電動(dòng)機(jī)相比也更簡(jiǎn)單。同時(shí)對(duì)于直流電機(jī)的寬調(diào)速、高轉(zhuǎn)矩、穩(wěn)定的工作、接近靜音的運(yùn)行狀態(tài)等優(yōu)點(diǎn)，無刷直流電機(jī)都具備，因此為相關(guān)控制系統(tǒng)技術(shù)的提高和創(chuàng)新提供了很大的幫助，具有非常重要的意義。

一、無刷直流電機(jī)的工作原理

永磁體組成了永磁式直流電機(jī)的定子，它主要的功能讓電機(jī)產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)，經(jīng)過機(jī)械換向器的功能后，再與電樞得電后產(chǎn)生的磁場(chǎng)保持垂直，以形成最大的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。無刷直流電機(jī)的電樞和永磁體分別安裝在定子和轉(zhuǎn)子上，以實(shí)現(xiàn)沒有電刷的換向，這點(diǎn)與永磁機(jī)的機(jī)構(gòu)剛好是相反的。然而，要想產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)就必須使用交流電給電機(jī)定子供電，這樣的目的是為了讓工作中的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場(chǎng)互相作用而產(chǎn)生單方向的轉(zhuǎn)矩來使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。無刷直流電機(jī)在工作時(shí)，定子繞組和轉(zhuǎn)子磁體發(fā)出旳磁場(chǎng)在空間上一直保持著直角的電度角。

二、無刷直流電機(jī)模型的建立分析

無刷直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型在這里是以三相且有兩個(gè)磁極的電機(jī)為例介紹的。Y型聯(lián)結(jié)、內(nèi)轉(zhuǎn)子構(gòu)造的電機(jī)定子繞組轉(zhuǎn)子上的三個(gè)霍爾傳感器在空間上相差120°對(duì)稱安放。在此結(jié)構(gòu)的情況下，提出如下的假設(shè)：(1)忽略電機(jī)的磁路不是飽和的；(2)不計(jì)旋渦損耗和磁滯損耗；(3)不計(jì)電樞反應(yīng)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的波形近似為正弦波；(4)忽略齒槽效應(yīng)，永磁材料的電導(dǎo)率為零，電樞導(dǎo)體均勾地分布在電樞的表面；(5)功率開關(guān)的器件和其他器件都是理想的。

繞組在無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，經(jīng)過其電流所帶有的載流導(dǎo)體，磁場(chǎng)賦予這些導(dǎo)體力的作用形成總轉(zhuǎn)矩就是電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。假如無刷電機(jī)的電流最大值是Ip，電動(dòng)勢(shì)最大值是Ep，繞組中同一時(shí)間只有兩相導(dǎo)通，在主流側(cè)觀察時(shí)為串聯(lián)，因此電磁功率為Pm=2EpIp，不計(jì)電機(jī)換相時(shí)刻的作用，它的電磁轉(zhuǎn)矩為

上式之中，ψp為電機(jī)電磁磁鏈的峰值。由此可以得知，無電刷直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與電流Ip成正比，與平常的直流電機(jī)的關(guān)系是相同的。

三、系統(tǒng)控制方案

由于無電刷，所以無刷直流電機(jī)要使用傳感器找出轉(zhuǎn)子位置和電子開關(guān)來變化線圈中的電流方向，而不能自動(dòng)換向，所以如果想擁有源源不斷向前的動(dòng)力，就必須要對(duì)轉(zhuǎn)子永磁體位置進(jìn)行精確的檢測(cè)以及讓電子開關(guān)變換不相同的繞組通電才能實(shí)現(xiàn)。光傳感器、IGBT都是屬于轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)傳感器的一種，對(duì)于永久磁體和定子的帶電線圈位置的監(jiān)測(cè)，是通過三相無電刷電動(dòng)機(jī)中的霍爾傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)的，這是目前大多數(shù)電動(dòng)車使用的。驅(qū)動(dòng)功率型場(chǎng)效應(yīng)管組成的電子開關(guān)是通過3個(gè)霍爾傳感器發(fā)出的6種各不相同的信號(hào)向電機(jī)供電。上述便是通常所說的分6步進(jìn)行換相的方法。

無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)是通過檢測(cè)相應(yīng)信息得知轉(zhuǎn)子位置的，并且通過轉(zhuǎn)把來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。核心部件單片機(jī)獲取霍爾傳感器得到的信息后，把獲取到的信息經(jīng)過處理后，再傳送到控制逆變電路里的每個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管中，用來決定場(chǎng)效應(yīng)管的開通或者關(guān)斷，讓電機(jī)能夠如常的運(yùn)行。

為了讓線路板和其他重要的器件不受到過流的影響，設(shè)計(jì)出了包括電流檢測(cè)電路和過流保護(hù)電路的電流模塊。同時(shí)為了不讓電源電壓太低時(shí)，不對(duì)外界提供電，設(shè)計(jì)出了欠壓保護(hù)電路。經(jīng)過相應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換后的定時(shí)采樣轉(zhuǎn)把電平輸出相應(yīng)的PWM占空比。可以參考電機(jī)專用的控制芯片MC233032的輸出曲線設(shè)置轉(zhuǎn)把電平與PWM占空比的對(duì)應(yīng)關(guān)系。無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)電路總體框圖如圖6所示，選擇PIC16F917單片機(jī)作為主芯片，結(jié)合電源電路、驅(qū)動(dòng)電路、逆變電路、電流檢測(cè)電路及位置檢測(cè)電路加上一部分外圍電路組成了硬件電路的總框圖。其中電源電路作為主控芯片、驅(qū)動(dòng)電路和逆變電路提供電源；驅(qū)動(dòng)電路接收主控芯片的指令完成對(duì)逆變電路開關(guān)管的開斷，通過對(duì)開關(guān)管通斷時(shí)間的控制達(dá)到對(duì)無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制；保護(hù)電路包括欠壓保護(hù)和過流保護(hù)；轉(zhuǎn)把信號(hào)輸入電路是等到電機(jī)正常旋轉(zhuǎn)，即進(jìn)入閉環(huán)控制后用來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路為主控芯片提供了轉(zhuǎn)子位置信息，來完成電機(jī)的準(zhǔn)確換相和為速度的提取提供根據(jù)。

四、PWM調(diào)制方式

三相6種特性的無刷直流電機(jī)采用的是兩兩相之間相互導(dǎo)通的形式，在一個(gè)周期內(nèi)，任意一個(gè)功率開關(guān)開通120°，2個(gè)功率開關(guān)器件相隔60°相互轉(zhuǎn)換一次。有5種PWM調(diào)試方式：onp，pon，Hp-Lon，Hon-Lp，Hp-Lp。其分別的情況如下：(1)onp：在120°導(dǎo)通區(qū)域中，前面60°永久導(dǎo)通通，后面60°使用PWM調(diào)節(jié)。(2)pon：在120°導(dǎo)通區(qū)域中，前面60°使用PWM調(diào)節(jié)，后面60°永久導(dǎo)通。(3)Hp-Lon：在120°導(dǎo)通區(qū)域中，上橋臂使用PWM調(diào)節(jié)，下橋臂永久導(dǎo)通。(4)Hon-Lp：在120°導(dǎo)通區(qū)域中，上橋臂永久導(dǎo)通，下橋臂使用PWM調(diào)節(jié)。(5)Hp-Lp：在120°導(dǎo)通區(qū)域中，上下橋臂都是使用PWM調(diào)節(jié)

五、總結(jié)

簡(jiǎn)單的介紹了整體的控制系統(tǒng)方案以及簡(jiǎn)單分析了無刷直流電機(jī)系統(tǒng)總體框圖，之后介紹了無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的檢測(cè)方式和方法，采用PWM調(diào)制方式。針對(duì)無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及其在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所用到的相關(guān)原理做出了介紹，以此設(shè)計(jì)出了相關(guān)的控制仿真模型，為整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試工作方便可靠的基礎(chǔ)，對(duì)于控制算法功能的增強(qiáng)及調(diào)試工作的順利進(jìn)行提供了保障。