基于PIC16F886的無刷直流電機控制器的設計*

鄧方雄，汪 洋

(湖北科技學院，湖北 咸寧 437100)

無刷直流電機(brushless DCmotor)由于結構簡單、出力大和良好的調速性能，在工業領域中得到了日益廣泛的應用［1］．無刷直流電機的這個特性正好滿足電動汽車的運行需要，目前大功率車用無刷直流電機的使用還不是很普遍，但中小功率的無刷直流電機已經廣泛應用于電動摩托車，小型旅游觀光車等功率需要較小的車型上．無刷直流電機的控制不像有刷直流電機控制簡單，無刷直流電機的控制驅動器大量使用了大功率的電力電子元件，這些大功率的電子元件需要可靠的控制才能夠穩定地工作，同時還需要很完善的保護電路，保證控制驅動器在極端情況下也不易損壞．目前有很多的研究人員對無刷直流電機的驅動器進行了研究，設計了很多控制電路，控制軟件，產生了很多的控制算法．常用的有 PID控制算法，模糊控制算法等［2～3］．本文設計了一種額定電壓48V，額定功率5KW 的無刷直流電機控制驅動器，這個控制器采用模糊自適應控制算法，經過試驗，達到了預期的效果．

1 驅動控制器硬件電路設計

1．1 驅動控制器總體設計

無刷直流電機驅動控制器的總體框圖如圖1所示，驅動控制器以PIC16F886微控制器為核心．PIC16F886是美國微芯公司生產的一種新型低價格高性能的微處理器，本控制器工作溫度范圍寬，抗干擾性能好，并自帶多路10位模數轉換器和多個外部中斷源，具有10位分辨率的PWM驅動引腳，這些特性能夠滿足無刷直流電機驅動控制的處理精度和處理速度要求．

本控制系統驅動的無刷直流電機自身具有霍爾元件，能夠對轉子的位置進行檢測，霍爾元件輸出的信號還可以用于速度的檢測．本設計選用的無刷直流電機額定工作電壓為DC48V，額定功率為5KW．

圖1 驅動控制器總體框圖

1．2 系統供電電路

無刷直流電機驅動控制器的供電采用48V的鉛酸蓄電池組供電，控制系統需要15V的直流電源為功率場效應管驅動電路供電和5V直流電源為控制系統中的微控制器供電．本設計采用耐高壓的LM2576HV進行48V到15V的轉變，LM2576是一種開關型電源轉換芯片，能夠承受3A的額定電流，自身功耗極小，能夠滿足本控制系統的要求．由于以微控制器為主的電路功耗較小，所以采用線性穩壓芯片LM7805將15V直流電源轉換為5V直流電源．供電電路如圖2所示．

圖2 系統供電電路

1．3 控制器核心電路

以PIC16F886微控制器為核心的控制電路如圖3所示．圖中運放選用型號為LM358，這片芯片中包含有兩個獨立的可以單電源供電的運放A和運放B．圖中運放A工作在比較器方式，反向輸入端為一個經過分壓電阻獲得的穩定電壓，同向輸入端為主電路中的電流反饋對應的電壓信號，當電流反饋值大于設定值后，運放輸出高電平，這個高電平會關閉功率場效應管的驅動電路，避免場效應管因過流而損壞．同時該信號還被微控制器的中斷接收，微控制器在接收到該信號后，會在程序內關閉所有的輸出，并給出過流的報警信號．

圖3 驅動控制器核心電路

運放B工作在同向放大方式，經主電路中電阻分流器反饋的電流信號經過必要的濾波后進行放大，輸入到微處理器的引腳，經過微處理器的模數轉換后獲取的數字信號作為程序控制的依據．

圖中一個五腳接頭接收電機霍爾元件位置傳感器輸出的脈沖信號，微控制器根據脈沖頻率直接獲取無刷直流電機的轉速和轉子的位置信息．微控制器根據位置信息輸出相應的控制信號對主電路的開關管進行開關控制，控制信號波形如圖4所示．圖中微控制器輸出的共有六個信號，從圖中所示的波形可以看出，每個信號在一個周期中有1/3的時間輸出高電平，2/3的時間輸出低電平．LIN1，LIN2，LIN3都為場效應管組下橋臂的控制信號，這三個信號的相位依次相差120度電角度［4］．

HIN1和LIN1兩個信號分別接通到同一個橋臂的上下兩個場效應管組上，這兩個信號不能夠同時為高電平，避免因為兩個場效應管同時導通導致的同一個橋臂的導通短路．HIN2和LIN2，HIN3和LIN3的原理相同．實際中這六個信號按什么電平的形式出現，由直流電機轉子的位置決定，這個位置信號由霍爾元件傳感器獲得．

為了穩定轉速，提高調速的及時性，控制上橋臂開關管的信號采用脈寬調制，控制下橋臂的開關管不采用脈寬調制．工作過程中可以根據無刷直流電機位置傳感器反饋的位置信號，有規律的控制開關管的導通與關閉，實現無刷直流電機的正反轉．

圖4 微控制器控制波形

1．4 電機控制器主電路設計

圖5 驅動控制器主電路

圖5為微控制器的電機驅動主電路．圖中功率開關管采用功率場效應管組，場效應管具有通態電阻小，開關速度快的特點．根據電機的額定電壓和額定電流的大小，本設計中選用額定電壓100V，額定電流70A的場效應管，由于單個場效應管的額定電流不能夠滿足條件，所以只能夠采用多管并聯的方式來實現，本設計采用5只管并聯的方式來提高導電能力．驅動控制器中采用分流器對主電路中流過的電流進行采樣，本設計采用額定電流100A輸出電壓75mv的康銅分流器，由于分流器輸出的采樣信號比較微弱，所以經過圖3所示的放大電路放大后輸送給微控制器和開關管驅動電路．

1．5 開關管驅動電路設計

功率場效應管的驅動電路的好壞直接決定了控制器的可靠性，本設計中采用功率開關管的專用驅動芯片IR2110S驅動．該芯片內部集成了電壓自舉電路，大大簡化了驅動電路的設計．同時該芯片的SD引腳在接收到高電平信號后，關閉所有驅動信號［4］，這個特點保證了控制電路能夠及時準確的保護開關管．SD引腳連接圖3輸出的保護信號．開關管的驅動電路如圖6所示．

圖6 開關管驅動電路

2 驅動控制器控制軟件設計

本系統的控制全部由軟件實現，軟件主要完成的功能為電機的轉速、剎車、正反轉控制，飛車、欠壓、過流保護，還要實現控制器與儀表板的通信等．

2．1 軟件控制原理

為了保證無刷直流電機的穩定工作，需要對無刷直流電機進行反饋控制［5～6］，本系統采用電流反饋的負反饋控制方式，控制方案如圖7所示，控制環給定值為設定電流，反饋值為無刷直流電機的實際電流，給定值與反饋值之間的差值進行PID調節后作為PWM的占空比值．采用電流負反饋可以保證電機在堵轉和低速運行時驅動電路元件的安全性．

圖7 無刷直流電機控制方框圖

2．2 程序控制流程

本控制軟件需要完成多個方面的控制，其中最主要的是完成功率場效應管的控制，即給出每個功率管的控制波形．由于PIC16F886控制芯片內部帶有功能完備的PWM發生電路，控制軟件中只需要給出PWM的占空比即可，具體控制哪幾組開關管導通，這個需要根據無刷直流電機的轉子位置決定，相應的控制在中斷程序中實現，PID調節子程序主要是進行數值PID控制，計算得出需要的占空比值．

控制軟件在控制過程中，還要對蓄電池的電壓進行實時的監測，當蓄電池的電壓低于一定的數值時，需要降低控制過程中的最大電流值，以達到保護蓄電池的目的．控制過程中，控制軟件還需要對電流過大的情況作出處理，當占空比設定為最小值后，還有較大的電流，這個時候就出現了過流，需要關斷所有的功率開關管，以保護電路．

控制過程中還需要對速度進行測量，速度的測量方法是計算一定時間內，電機轉子位置傳感器輸出脈沖的個數，如果脈沖個數多于電機正常轉速對應的個數的時候，說明電機已經出現了超速的現象，需要關閉控制信號的輸出．

圖8 軟件控制流程圖

2．3 中斷程序設計

PIC16F886控制芯片具有多種中斷源，其中本控制軟件使用了RB口電平變化中斷，定時器0中斷，AD轉換中斷，串行口發送和接收中斷．本控制軟件中，所有的中斷源都設定到一個中斷優先級，進入中斷系統后，軟件會按圖9所示的過程依次查詢相應的中斷標志位，查看中斷是否發生，如果中斷發生，就執行相應的中斷子程序．

RB端口能夠測量端口電平的變化，當端口電平變化，說明無刷直流電機的轉子已經轉到了一個新的位置，微處理器需要根據當前的位置，改變場效應管的導通狀態，如圖4所示．采用中斷處理的好處是能夠及時改變場效應管的導通狀態，否則，轉子磁場方向與定制磁場方向反向，定制電流變大，對場效應管產生沖擊，如果長時間接收這種沖擊，功率管很容易損壞．

圖9 中斷程序流程圖

3 系統調試和結論

表1 負載測試

從系統的調試數據來看，本控制器能夠按照預先的設定對電流對電機進行控制，在設定電流不變，負載不變的情況下，電機的轉速比較穩定，這說明，軟件在進行PID控制的時候，控制時間和PID的參數選擇比較合適．

［1］夏長亮，郭培健，史婷娜，王明超．基于模糊遺傳算法的無刷直流電機自適應控［J］．中國電機工程學報，2005，(11)：129～133．

［2］陳強．無刷直流電機系統的仿真研究［J］．現代雷達，2011，(7)：56 ～60．

［3］魏海峰，李萍萍，劉國海，賈洪平．基于雙電流調節器的無刷直流電機換相轉矩脈動抑制［J］．江蘇大學學報，2010，(6)：691 ～695．

［4］紀志成，沈艷霞，薛花．無刷直流電機自適應模糊控制的研究［J］．中國電機工程學報，2005，25(3)：104～108．

［5］張相軍，陳伯時．無刷直流電機控制系統中PWM調制方式對換相轉矩脈動的影響［J］．電機與控制學報，2003，7(8)：87 ～91．

［6］夏長亮，文德，王娟．基于自適應人工神經網絡的無刷直流電機換相轉矩波動抑制新方法［J］．中國電機工程學報，2002，22(1)：54 ～57．