基于１６位單片機(jī)的無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)

　　引言

　　直流電機(jī)由于調(diào)節(jié)特性好，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大，被廣泛應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)裝置及伺服系統(tǒng)。

　　但是有刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要通過電刷換向，會(huì)產(chǎn)生火花并導(dǎo)致電磁干擾等問題，從而使有刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速及安全等級(jí)不能滿足很多場(chǎng)合中的工業(yè)生產(chǎn)需要，使應(yīng)用范圍受到限制。

　　電子器件制造工藝的進(jìn)步，使制造大功率電子換向器成為可能，也使無刷直流電動(dòng)機(jī)(BLDCM)技術(shù)有了飛速發(fā)展。無刷直流電動(dòng)機(jī)既具有傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，又由于采用電子換向器，從而克服了機(jī)械換向帶來的一系列問題，使無刷直流電動(dòng)機(jī)成為當(dāng)前電動(dòng)機(jī)控制領(lǐng)域的熱門課題，并且已經(jīng)被大量應(yīng)用于生產(chǎn)生活。目前很大一部分電動(dòng)自行車都使用BLDCM作為驅(qū)動(dòng)元件。

　　無位置傳感器的無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，程序算法較復(fù)雜，且不適于應(yīng)用在低速及啟動(dòng)狀態(tài)，目前絕大部分BLDCM控制系統(tǒng)仍然采用位置傳感器。在種類眾多的位置傳感器中，霍爾元件以價(jià)格低廉、使用方便等優(yōu)點(diǎn)被大量應(yīng)用。本文提出了基于NEC16位單片機(jī)UPD78F1201，并以霍爾元件作為位置傳感器的BLDCM控制系統(tǒng)解決方案。

　　無刷直流電動(dòng)機(jī)控制原理

　　帶位置傳感器的無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　位置傳感器通常是光電編碼器、霍爾傳感器或正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器。光電編碼器和正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器精度高，但價(jià)格昂貴，所需算法也較復(fù)雜，主要應(yīng)用于仿真轉(zhuǎn)臺(tái)或精密數(shù)控機(jī)床等�；魻杺鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，在BLDCM控制系統(tǒng)中應(yīng)用很廣，電動(dòng)自行車中通常采用霍爾傳感器。在電動(dòng)機(jī)定子上間隔120°電角度放置3個(gè)霍爾傳感器，即可滿足BLDCM的換相控制需要，而且可以通過檢測(cè)霍爾傳感器輸出信號(hào)的頻率或脈沖寬度，來檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)速度(Tempo)閉環(huán)。

　　驅(qū)動(dòng)電路大部分采用全橋電路，通過調(diào)節(jié)功率器件的開關(guān)順序來實(shí)現(xiàn)BLDCM的換相控制，并可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。通過在上下橋臂都調(diào)制PWM信號(hào)來平衡功率器件的工作壓力，來延長(zhǎng)其工作壽命。

　　控制器部分通常使用單片機(jī)或DSP。控制器通過讀取位置傳感器信號(hào)來檢測(cè)BLDCM的轉(zhuǎn)子位置，從而決定換相策略，輸出控制信號(hào)到驅(qū)動(dòng)電路，控制功率器件的開關(guān)順序，使電機(jī)可以連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。通常，BLDCM控制系統(tǒng)還具有速度(Tempo)閉環(huán)及過流保護(hù)功能。

　　圖2是120°霍爾無刷直流電動(dòng)機(jī)的換相時(shí)序示意圖。在本設(shè)計(jì)中采用此換相時(shí)序，根據(jù)檢測(cè)到的霍爾信號(hào)來決定換相策略，由圖中可見，只在上橋臂采用了PWM控制，而下橋臂控制信號(hào)并未調(diào)制PWM信號(hào)。此方法的優(yōu)點(diǎn)就是易于實(shí)現(xiàn)，但會(huì)帶來上橋臂功率器件工作壓力大，使用壽命低于下橋臂器件。

　　三路霍爾的輸出信號(hào)可以組成6種位置信息，通過此位置信息，來控制換相。例如，當(dāng)H1H2H3組成的編碼為101(高電平為1，低電平為0)時(shí)，電流從電動(dòng)機(jī)U相流入，V相流出；當(dāng)H1H2H3變?yōu)?00時(shí)，電流從U相流入，W相流出。在這樣的控制方式下，電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。