一種基于8751單片機的直流無刷電動機控制系統

華滿香

HUA Man-xiang

（湖南鐵道職業技術學院，株洲 412001）

0 引言

一個多世紀以來，電動機作為機電能量轉換裝置，其應用范圍已遍及國民經濟的各個領域以及人們的日常生活中。其主要類型有同步電動機、異步電動機和直流電動機三種。直流電機具有響應快速、較大的起動轉矩、從零轉速至額定轉速具備可提供額定轉矩的性能，因為直流電機要產生額定負載下恒定轉矩的性能，則電樞磁場與轉子磁場須恒維持90°，這就要藉由碳刷及整流子。傳統的直流電動機均采用電刷以機械方法進行換向，因而存在相對的機械摩擦，由此帶來了噪聲、火花、無線電干擾以及壽命短等弱點，再加上制造成本高及維修困難等缺點，從而大大限制了它的應用范圍，使用場合也受到限制。針對傳統直流電動機的弊病，早在上世紀30年代就有人開始研制以電子換向代替電刷機械換向的直流無刷電動機。經過了幾十年的努力，直至上世紀70年代，隨著電力電子工業的飛速發展，許多高性能半導體 功 率 器 件， 如 GTR、MOSFET、IGBT、IPM等相繼出現，以及高性能永磁材料的問世，無刷直流電機也相繼產生了，近幾年無刷直流電機在數碼照相機、攝影機、打印機、手機以及汽車空調、洗衣機、電動車等等領域獲得廣泛的應用。

1 直流無刷電動機

1.1 直流無刷電動機結構

直流無刷電動機的結構原理如圖1所示。它主要由電動機本體、位置傳感器和電子開關電路三部分組成。電動機本體在結構上與永磁同步電動機相似，但沒有籠型繞組和其他起動裝置。其定子繞組一般制成多相(例如三相、四相、五相等)，轉子由永久磁鐵按一定極對數(P＝2，4，…)組成。如圖1中的同步電動機是三相兩極永磁式。在圖中A相、B相、C相繞組分別與功率開關管V1、V2、v3相接，位置傳感器與電動機軸相連接。直流無刷電動機和一般直流電動機結構上不同之處在于：直流無刷電動機的永久磁鐵磁極是裝在轉子上，而直流電動機(永磁式)的永久磁鐵磁極是裝在定子上。

圖1 直流無刷電動機的結構

1.2 直流無刷電動機工作原理

圖1中，在電子開關作用下，定子繞組的某一相通電，該電流與轉子永久磁極所產生的磁場相互作用而產生轉矩，驅動轉子旋轉，再由位置傳感器將轉子位置變換成電信號去控制電子開關，從而使定子各相繞組組按—定順序導通，定子相電流隨轉子位置變化也依次換相。由于電子開關的導通次序與轉子轉角同步，故起到機械換相器的作用。因此，從結構上看，直流無刷電動機可認為是一臺永磁式同步電動機、電子開關電路和位置傳感器三者組成的“電動式系統”，其原理框圖如圖2所示。

圖2 直流無刷電動機的原理框圖

2 直流無刷電動機的單片機控制

圖3采用8751單片機來控制直流無刷電動機的原理框圖。8751單片機有四個獨立控制口，現將其中的P1口置成輸出口，同7406反向門電路連接控制直流無刷電動機的換相；P2口置成輸人口，用于測量來自轉子永久磁鐵位置傳感器的信號H1、H2、H3；Po口作為輸出口，外接一個D／A轉換器。如圖3所示，單片機8751控制無刷直流電動機原理圖。

圖3 單片機8751控制無刷直流電動機原理圖

2.1 直流無刷電動機換相的控制

根據定子繞組的換相方式(如采用三二換相或是兩兩換相等)，首先找出三個轉子永久磁鐵位置傳感器信號H1、H2、H3的狀態與六只功率管導通之間的關系，以表格形式存放在單片機的EPROM中。表1示出了三相直流無刷電動機采用兩兩換相方式時位置傳感器輸出狀態同主回路功率管導通之間的對應表。這樣一來，8751單片機只需根據來自P2口的H1、H2、H3的狀態，從表1中查得相對應的導通管，并通過在P1口送出相應的控制字，就可控制直流無刷電動機的換相。

2.2 直流無刷電動機起動電流的限制

從圖3可知，主回路中通過電動機的電流最終經過電阻R13接地。因此，Uf＝R13IM，其大小正比于電動機的電流IM。而Uf同D／A轉換器的輸出電壓U。分別送到LM324運算放大器的兩個輸入端，一旦反饋電壓Uf大于來自D／A轉換器的給定信號U。，則LM324運算放大器輸出為低電子，使得主回路中三只功率管V4、V6和V2無法導通，從而截斷了直流無刷電動機定子繞組的所有電流通路，迫使電動機電流下降，一旦電流下降到使Uf小于Uo，則LM324運算放大器的輸出回到高電平。主回路的V4、V6和V2又具備導通的能力，其具體通電的次序由P1口控制，于是起到了限制電流的作用。

表1 換相表（正轉）

2.3 直流無刷電動機轉速的控制

上面所述的限流的大小為IM＝U0/ I13，因此，在直流無刷電動機正常運行的過程中，只要控制D / A轉換器的輸出電壓U0，就可控制直流無刷電動機的電流，進而控制電動機的轉速。也就是說，8751單片機可通過來自轉子位置傳感器的信號周期，計算出電動機的轉速，并把它同給定轉速比較。如高于給定轉速，則減少P2口的輸出數值，降低電動機的電流，以達到降低其轉速的目的，反之，如果測得的轉速低于給定轉速，則增加P2口的輸出數值， 進而加大電動機的電流，從而提高其轉速。至于采用何種控制方式，可通過軟件來實現。

2.4 PWM控制的實現

上述的轉速控制也可通過PWM方法來實現。如將圖3中的7406反相器中的一部分用一個74LS33或非門來代替，并省去了由P2口控制的A/ D轉換器，如圖4所示。由圖4可知，74LS33或非門的一個輸入端由P2口中的一位P21控制，當P2口中的P21輸出為高電平時，則主電路中的V2、V4和V6被封死。當P21輸出為低電平時，則主回路中的六只功率管仍然受P1口控制進行電動機的正常換相，因此，只需對P21的輸出進行PWM控制，就可以控制直流無刷電動機的轉速。由此可以看出，直流無刷電動機的控制電路中引入了單片機后，就可以很方便地進行換相控制和轉速調節。

圖4 實現PWM控制的原理圖

2.5 正反轉的控制

在一般直流電動機運行過程中，改變磁場方向或改變電樞電壓的極性，均可改變電動機轉向。但這些方法在直流無刷電動機中行不通，因為直流無刷電動機的磁通由永久磁鐵產生，無法改變方向，又由于半導體的單向導電性，電源電壓反接很不方便。因此在這種情況下，一般都通過控制定子繞組的換相次序來改變電動機轉動方向。具體做法是只需要根據換相控制表如表2所示進行控制。這樣，單片機采用表1來控制換相，電動機正轉，而按表2來控制換相，則電動機就反轉，非常方便。

表2 換相表（反轉）

3 結束語

由于直流無刷電動機既具有交流電動機的結構簡單、運行可靠、維護方便等特點，又具備直流電動機的運行效率高、無勵磁損耗以及調速性能好等諸多優點，而本控制系統精度高，穩定性好，硬件簡單且工作可靠，利用單片機控制直流無刷電動機的換相、正反轉、調速及限制起動電流又非常方便，因此該系統應用非常廣泛。

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