基于單片機的無刷直流電機調速控制系統設計

李艷芳，李治慧

（西安工商學院，陜西西安，710200）

0 引言

無刷直流電機是一款有別于普通電機的新型直流電機，它的組成結構里沒有電刷，他采用的是電子換向器。這款電機作為風力發動機在應用中擁有許多獨特的優點，例如：使用周期長、運行效率高、運轉低噪聲、工作轉速高、不產生換向火花、運轉可靠及易于保養維護。目前無刷直流電機廣泛應用于洗衣機、新能源電動汽車、航模、船舶、醫療電子及工業自動化[1-2]。

1 調速系統的設計目標

調速系統的整體設計框圖如圖1所示。軟件設計主要針對MCU的算法編寫來完成對無刷直流電機的控制，實現液晶顯示器的顯示和使用獨立按鍵完成無刷直流電機的調速。

圖1 調速系統的整體設計框圖

本次研究設計從目標如下：

a.操控不使用霍爾元件的無刷直流電機的運行并保護器件安全運轉。

b.實現對無刷直流電機的轉子位置準確定位。

c.能通過獨立按鍵來實現對操控無刷直流電機工作的啟動和停機以及速度和正轉、反轉的控制。

d.使用顯示器反應當前無刷直流電機的轉速與正反轉狀態。

1.1 控制系統結構總體框圖的設計

在不使用霍爾元件的情況下采用反電動勢法實現無刷直流電機的調速系統的主要特點：在減少硬件制造的成本上任然能夠準確且實時地自動檢測到并得到無流有刷直流驅動電機外部每個轉子的轉動位置、使用三段式暴力高速啟動的控制方法使它來自動完成直流電機的高速運行、采用閉環式自動調速控制技術、通過設定預定檔位來完成電機的速度調節等主要關鍵技術。電機調速的原理框圖如圖2所示。

圖2 電機調速原理框圖

2 轉子位置檢測

當電機運行時，要無時無刻的讀取轉子位置信號，并且與參考電壓進行比較。STC15W4K56S4單片機具有A/D觸發采集功能。因此通過調用控制器自身的外設進行過零點比較來實現采集。這類方式叫做為軟件過零比較法。

功率管工作在不同的狀態下，采集到的反電動勢信號的大小也是不一樣的,在功率開關管導通狀態時采集：在過零點時刻C相端電壓與中性點電壓相等因此，需要將中性點電壓作為參考電壓。主供電電壓，在AB導通時，中性點電壓等于二分之一的主供電電壓值。故反電動勢信號選擇二分之一的主供電電壓值作為比較值。

通過控制器自帶的ADC檢測端口來作為反電動勢的采集器，根據電路圖設置P1.3、P1.4、P1.5這三個I/O口來作反電動勢采集輸入口，利用控制的內部比較器CMP來做中心點的參考電壓比較端口因此設計P5.4做中心點電壓的輸入口。當轉子位置確定后需要延時30°的電角度。轉子位置檢測電路圖如圖3所示，轉子位置檢測流程圖如圖4所示。

圖3 轉子位置檢測電路圖

圖4 轉子位置檢測流程圖

3 換相控制

本次設計換相控制采用的方法是暴力換相，單片機在檢測到過零事件后，不需要延時等待轉子轉過30°，直接執行換相。這方法其實很早由德國MK在電調程序所創造。這種換相方法也是可以行得通的，唯一的缺點就是會損失一些效率。只有第一次通電時需要間隔30度，隨后的每次通電時間間隔都應該是60°，轉子在高速旋轉一周就需要重新改變6次通電順序。換相流程如下圖5所示。

圖5 換機

4 獨立按鍵設計

為了節省不必要的浪費，將采用一鍵多功能的方式來完本次對無刷直流電機運行狀態的控制。前面說過要完成對電機的啟動與停止，改變電機轉子的運行方向，調節電機的速度。所這些操作都將同獨立按鍵來完成。為了實現這么多功能本人將為這四種功能定義出不同的ID號，當無刷直流電機啟動時ID=0；當無刷直流電機反正時ID=1；當無刷直流電機停機時ID=2；當無刷直流電機需要加速時ID=3；當無刷直流電機需要減少時ID=4。顯示只需要每次按下K1時，分別給出不同的ID號本人就能實現本人的任務。同時還需要一個獨立按鍵來完成對PWM的調節來給變速度的快與慢。下面給出有關獨立按鍵功能設計的流程圖如圖6所示。

圖6 流程圖

5 結語

本課題詳細介紹了直流無刷電機調速系統的總體設計框架以及設計流程圖，詳細地描述了控制板中主要電路的組成及其設計原理，主要是介紹了控制無刷電機的主程序和工作流程圖，針對反相電動勢定位轉子、按鍵調速、電機三步啟動法、電機換相等控制流程。并且對每個模塊進行了調試，最終實現了無刷直流電機的調速系統邏輯控制正確，運行時控制平穩可靠，達到了原本的設計需要。