無位置傳感器無刷直流電機數控調速器設計

劉東輝，趙新偉，李天寶，趙爾男

(1.河北科技大學電氣工程學院，河北石家莊 050018；2.中國環境管理干部學院信息工程系，河北秦皇島 066004)

無位置傳感器無刷直流電機數控調速器設計

劉東輝1，趙新偉1，李天寶1，趙爾男2

(1.河北科技大學電氣工程學院，河北石家莊 050018；2.中國環境管理干部學院信息工程系，河北秦皇島 066004)

本文在分析無位置傳感器無刷直流電機反電動勢檢測方法的基礎上，設計了硬件檢測電路和基于單片機的無刷直流電機數控調速器，并介紹此數控調速器的檢測及控制單元，并詳細介紹了此控制方案的反電動勢檢測方法的實現以及單片機生成PWM信號控制驅動橋路的設計，設計中還添加了配套的上位機軟件。經驗證，調速器能夠完成電機調速、電源電壓欠壓保護、過流保護、速度顯示以及上位機控制等一系列功能。

反電動勢檢測； 無刷直流電機；數控調速；單片機； PWM

無刷直流電機是隨著半導體電子技術發展而出現的新型機電一體化電機，無刷電機以電子換相器取代了有刷直流電機的機械換相[1]，既保留了有刷直流電機的基本特性，又摒棄了機械換相器和電刷帶來的弊端。無刷直流電機以更高的效率、更小的尺寸、更快速的響應和可以軟啟動的優點，為諸多行業提供了一種更具吸引力的選擇，逐步被人們接受[2-3]。在實際應用中發現含傳感器無刷直流電機在電機安放轉子位置傳感器時有諸多的問題，而無位置傳感器控制方案是利用電樞繞組在旋轉磁場中產生感應反電動勢，間接獲得轉子的磁極位置[4]。此方案無需位置傳感器，簡化電機結構，因此得到了廣泛的應用[5]。

本文旨在設計一種無位置傳感器無刷直流電機數控調速器，以實現對無刷電機轉速的精確控制，降低無刷直流電機的轉矩波動，拓寬電機轉速范圍，增加如低壓保護、過溫保護等輔助功能，提升無刷直流電機的使用品質，擴大無刷直流電機的應用空間。

1 系統總體設計

本文設計的無位置傳感器無刷直流電機數控調速器，通過微處理器控制電機轉速，并顯示電機的轉速值。技術關鍵點包括反電動勢過零點檢測、電機啟動算法。設計采用反電動勢過零檢測法獲取無刷直流電機的轉子位置，設計合理的采樣電路，準確判斷電機轉子位置。電機啟動算法需要零轉速的情況下，首先確定轉子位置，繼而順序通電，使電機獲得啟動力矩，同時檢測電源電流，若電源電流超出額定限制，則關斷功率元件，重新啟動。同時設計添加電源電壓欠壓保護，轉速顯示等功能。

根據設計的需求將調速裝置劃分為檢測驅動單元和速度控制單元。

圖1 系統整體結構框圖Fig.1 Overall system structure diagram

檢測驅動單元由核心控制器、檢測網絡和驅動橋路組成[6]。其中核心控制器使用ATMega8單片機接收速度控制器發出的串行通信調速信號和脈沖寬度調制調速信號。驅動橋路由MOSFET及其外圍電阻和三級管搭建，設置指示燈顯示各個MOSFET的通斷狀態。

速度控制單元包括以STC12C16AD單片機作為處理器的速度控制器、Windows系統上的上位機界面控制軟件。速度控制器通過鍵盤設置不同的速度信號，利用串行通信發送調速信號至檢測驅動單元，經由1602LCD顯示當前電機速度。上位機的功能與速度控制器相同，為電機功能擴展和遠程控制提供方便。系統整體結構框圖如圖1所示。

2 檢測驅動單元設計

2.1硬件設計

系統硬件設計主要由核心控制器和驅動橋路兩部分組成，包括ATMega8最小系統、過零檢測電路、驅動橋路電路、電源電壓電流檢測電路和電源模塊電路。

設計采用ATMega8主要基于以下3個方面[7]：

1)具有先進的RISC 結構，全靜態工作，足夠高的數據吞吐率；

2)2個獨立預分頻的8位定時器/計數器，三通道硬件PWM，用來產生程序中的三通道PWM控制信號[8]；

3)片內模擬比較器，可用于采集無刷直流電機反電動勢過零點的信號[9]，省去外圍電路中的模擬比較器部分，這是選用該單片機作為控制器的最主要原因。

2.2過零檢測電路

反電勢過零檢測法基本原理就是在忽略永磁無刷直流電機電樞反應影響的條件下，通過檢測“斷開相”(逆變橋上下功率器件皆處于關斷狀態的一相)的反電動勢過零點，來依次獲得轉子的6個關鍵位置信號，輪流觸發導通逆變橋的6個功率管，驅動電機運轉[10]。在逆變橋供電的任一時刻，電機總有一相其上下橋臂均為斷開狀態，即該相繞組是懸空的，因此該相繞組的相電壓等于其產生的感生電動勢。在忽略電樞反應對氣隙磁場影響的條件下，近似認為這一感生電動勢即是該相繞組所產生的反電動勢。反電動勢過零點可以通過相電壓或者端電壓檢測得到。檢測到反電動勢的過零點時刻，并加入適當延遲，得到逆變橋功率器件的正確觸發時刻[11]。

圖2 反電動勢檢測原理圖Fig.2 Counter electromotive force detection principle diagram

ATMega8單片機的片內比較器的輸出可用來觸發定時器/計數器1的輸入捕捉功能；此外，比較器還可觸發自己專有的、獨立的中斷；用戶可以選擇比較器是以上升沿、下降沿還是交替變化的邊沿來觸發中斷[12]。

反電動勢檢測原理圖如圖2所示。

motor_u，motor_v，motor_w分別連接無刷直流電機的U，V，W三相繞組，MITTEL為估測的變形后的中點電壓，與ATMega8單片機的模擬比較器正輸入端AIN0相接。使用單片機A/D轉換器的A/D0，A/D1，A/D2作為模擬比較器復用輸入端，REV_U，REV_V，REV_W分別與單片機的A/D0，A/D1，A/D2連接。只要在U，V相通電期間開通REV_W和MITTEL的比較，U，W相通電期間開通REV_V和MITTLE的比較，V，W相通電期間開通REV_W和MITTLE比較，就可以成功檢測出各相的過零事件。驅動橋路電路圖如圖3所示。

圖3 驅動橋路電路圖Fig.3 Drive axle road circuit diagram

驅動芯片選用Si4404和Si4405。Si4404是N-Channel MOSFET，額定電壓30 V，柵源電壓為0.45 V時，額定漏極電流達17 A。芯片內部場效應管旁反向并聯一個二極管，設計時省略外圍電路反向二極管的連接。

2.3檢測驅動單元軟件設計

檢測驅動單元的軟件部分包括主程序、反電動勢檢測、啟動程序、電源電壓及過流檢測程序、串口控制信號程序、PWM調速信號程序。

ATMega8主程序流程圖如圖4所示。

電源電壓、過流檢測是使用ATMega8單片機自帶的ADC功能實現的。單片機使用兩路ADC端口分別檢測TEST_BAT和REV_I端口，通過對采樣后的數據進行處理換算成對應的電壓、電流值，然后與設定值進行比較，依次檢測欠壓、過流現象，做出相應處理，保護電機和電路。ATMega8電壓及過流檢測流程圖如圖5所示。

圖4 ATMega8主程序流程圖Fig.4 ATMega8 main program flow chart

圖5 ATMega8電壓過流檢測流程圖Fig.5 ATMega8 voltage overcurrent test flow chart

過零檢測動作狀態對應表如表1所示。過零檢測動作流程圖如圖6所示。假設電機已處于正常旋轉狀態，每次檢測到懸浮相的過零事件后，則會觸發進入此程序。假設目前電機正處于U，V相通電狀態，轉到1/2時W相的感生電動勢會過零，此時motor_w端的電壓會低于MITTEL中點電壓，模擬比較器的輸出端產生一個上跳沿而觸發中斷，進入中斷服務程序[13]。

圖6 過零檢測動作流程圖Fig.6 Zero test flow chart

表1 過零檢測動作狀態對應表

3 電機速度控制單元

速度控制單元部分的設計中，采用數字通信調速信號取代原先的PWM脈寬調制調速信號，在發揮了數字信號準確、自校驗的優勢下，保證信號傳輸準確率。同時為實現遠程控制，設計中增加上位機控制功能，這也為集中控制奠定基礎。

圖7 STC單片機主函數程序流程圖Fig.7 STC MCU procedure flow charts of main function

圖8 實驗系統Fig.8 Experiment system

速度控制器STC12C5A16AD單片機作為處理器，通過按鍵設置調速信號，通過串行通信接口發送給ATMega8單片機，并接收ATMega8單片機發出的電機實時速度信號，由1602液晶顯示。采用串口電平轉換芯片MAX232將PC機RS-232電平的串口信號和單片機TTL電平的串口信號互相轉換，實現PC機與單片機之間的互相連接與通信。STC12C5A16AD單片機需要完成2項工作:其一，檢測A/D鍵盤是否有按鍵按下，如檢測到有按鍵被按下，則在原先設置轉速值的基礎上執行按鍵對應操作，并在1602液晶上顯示出改變后的速度值，然后將該速度值發送到ATMega8單片機；其二，接收ATMega8單片機發送的電機速度信號，并在1602液晶上顯示。

STC單片機主函數程序流程圖如圖7所示，實驗系統如圖8所示。

在主函數中完成程序初始化、A/D鍵盤掃描、數據轉化處理、把數據寫入液晶顯示。如果有按鍵按下，執行對應按鍵的數據處理動作，并將處理獲得速度值發送到ATMega8單片機。程序選擇循環掃描方式讀取A/D鍵盤，而非使能A/D中斷方式，這樣能夠保證串口通信不受干擾，而且循環掃描方式速度不會錯誤判斷按鍵輸入信號[14]。檢測到有按鍵按下后，增加延時判斷，軟件消抖處理，避免按鍵抖動帶來的錯誤信號。

為增強無刷直流電機調速的人機交互操作能力[15]，也便于多電機的集中控制，使電機的控制更加簡單明確，設計中添加上位機調速軟件，經驗證，能夠很好完成電機的速度控制。

4 結 語

本文設計完成了一個無刷直流電機數控調速器，實驗系統由驅動電路板、控制電路板、無刷直流電機、上位機構成。經驗證，系統能夠完成一系列預定功能。

設計方案采用反電動勢檢測方法取代位置傳感器，簡化電路結構，降低成本。該數控調速器最終實現的功能包括：無刷電機調速功能、電源電壓欠壓保護功能、過流保護功能、速度顯示功能以及上位機控制功能。

本設計仍有可提高空間，調速性能方面可以加入超前角控制，優化電機換相時電流波形，改善噪聲、轉矩波動，提高整體的驅動性能。控制功能豐富性方面由于引入了數字通信模式，可以加入不同的控制命令，如設置最大允許電流，讀取電流，根據電機性能設置電機工作模式，驗證功率元件驅動性能等。

/

[1] 夏長亮. 無刷直流電機控制系統[M].北京：科學出版社，2009.

XIA Changliang. Brushless Dc Motor Control System[M].Beijing：Science Press，2009.

[2] 王向臣. 無刷直流電機數字控制系統的研究[D].廣東：華南理工大學，2007.

WANG Xiangchen. Digital Control System of Brushless DC Motor (BLDCM) Research[D].Guangdong：South China University of Technology，2007.

[3] 黃 碩，郭立煒，劉玉坤,等. 基于ARM和旋轉濾波的異步電機故障檢測方法的研究[J].河北工業科技,2012，29(6)：406-410.

HUANG Shuo，GUO Liwei，LIU Yukun, et al. Fault detection method of induction motor based on ARM and rotating filter[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2012，29(6)：406-410.

[4] 胡文華，宋平崗. 無刷直流電機三次諧波位置檢測法[J].華東交通大學學報，2003，20(4)：59-61.

HU Wenhua，SONG Pinggang. Brushless DC motor position harmonic test three times[J].Journal of East China Jiaotong University, 2003,20(4)：59-61.

[5] KWANG-WOON L.Quality assurance testing for magnetization quality assessment of BLDC motors used in compressors[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2010,46(6)：2 452-2 458.

[6] PILLAY P，KRISHNAN R. Modeling,simulation,and analysis of permanent-magnet motor drives(Part Ⅱ): The brushless DC motor drive[J]. IEEE Trans on Industry Applications,1989,25(2)：265-273.

[7] 陳小忠，黃 寧，趙小俠. 單片機接口技術實用子程序[M].北京：人民郵電出版社，2005.

CHEN Xiaozhong，HUANG Ning，ZHAO Xiaoxia. MCU Interface Technology and Practical Subroutine[M].Beijing:People′s Posts and Telecommunications Publishing House,2005.

[8] 張 琛. 直流無刷電機原理及應用[M].北京:機械工業出版社，1992.

ZHANG Chen. Brushless DC Motor Principle and Application [M].Beijing：Mechanical Industry Press，1992.

[9] 沈建新，呂曉春. 無傳感器無刷直流電機三段式啟動技術的深入分析[J].微特電機,2000(5)：18-21.

SHEN Jianxin，LYU Xiaochun. Sensorless brushless DC motor of three-step start up technology deeply analysis [J].Micro & Special Motor，2000(5):18-21.

[10] 曾成碧，潘一飛. 同步發電機模糊PID勵磁控制研究[J].河北科技大學學報,2010,31(6)：546-549.

ZENG Chengbi，PAN Yifei. Research in excitation control of synchronous generator based on fuzzy PID[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2010,31(6):546-549.

[11] SRYGLEY R B，THOMAS ALR. Uneonventional lift-denerating mechanisms in free-flying buttemies[J]. Nature,2002,20(12):8-12.

[12] NOBUYUKI M. Sensorless PM brushless DC motordriver[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,1996,43(2):300-308.

[13] 丁銀銀，白采玉，張持健. 基于單片機的多功能密碼輸入器的設計[J].河北工業科技,2012,29(3)：167-173.

DING Yinyin，BAI Caiyu，ZHANG Chijian. Design of multi-functional password input set based on STC89C52 microchip[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2012,29(3):167-173.

[14] NAGATA M, IWATA A． PWM signal processing architecture for intelligent systems[J].Computers & Electrical Engineering，1997，23(6)：393-405.

[15] 于國慶，張 穎，李永偉,等. 基于DSP的異步電機SVPWM控制系統及優化研究[J].河北科技大學學報，2012.33(3)：258-262.

YU Guoqing，ZHANG Ying，LI Yongwei et al. DSP-based SVPWM vector control system of asynchronous motor and its optimization[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2012,33(3):258-262.

Design of digital controller for sensorless brushless DC motor speed regulation

LIU Donghui1, ZHAO Xinwei1， LI Tianbao1, ZHAO Ernan2

(1.School of Electrical Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang Hebei 050018, China; 2.Department of Information Engineering, Environmental Management College of China, Qinhuangdao Hebei 066004, China)

Based on the analysis of brushless DC motor back-EMF detection method, the hardware detection circuit and the microcontroller-based digital speed controller of brushless DC motor are designed. The detection and control units of the digital speed controller are introduced respectively, and details of EMF detection methods and the realization of single-chip generating PWM signals to control the driving bridges in this control scheme are introduced. The design also adds the supporting PC software.. The result proves that the controller can realize the motor speed regulation, power supply voltage undervoltage protection, overcurrent protection, speed display, PC control and so on.

back-EMF detection； brushless DC motor； CNC control； MCU； PWM

1008-1542(2013)04-0302-06

10.7535/hbkd.2013yx04009

TM36+1

A

2013-03-18；

2013-05-28；責任編輯：李 穆

國家自然科學基金(51274144)

劉東輝(1971-)，男，山西晉城人，教授，博士，主要從事電機電器的智能控制、醫學信號處理、視頻監控方面的研究。

E-mail: liu__donghui@126.com