基于單片機的無刷電機控制

(西南石油大學 四川 成都 610500)

引言

隨著現代科學技術的發展和提高，人們對于無刷直流電機的要求也越來越高，無刷直流電機的出現滿足了人們這一要求，無刷直流電機的最大特點就是采用了電子換向器替代了直流電機的機械換向器，這樣做的目的是為了避免產生電磁干擾，導致電刷損壞等問題，無刷直流電機的產生延長了電機需要定期維護修理的時間，同時也使電機的使用時間得到了很大程度上的提高。直流電機控制和交流電機控制組成了電動機的總系統控制。電動機是電機控制系統核心，而電機又有直流電機和交流電機，在驅動裝置中到底是采用直流機還是采用交流機呢？兩者相比之下可知，直流電動機擁有更加穩定的調速功能，其結構與交流電動機相比也更簡單。同時對于直流電機的寬調速、高轉矩、穩定的工作、接近靜音的運行狀態等優點，無刷直流電機都具備，因此為相關控制系統技術的提高和創新提供了很大的幫助，具有非常重要的意義。

一、無刷直流電機的工作原理

永磁體組成了永磁式直流電機的定子，它主要的功能讓電機產生氣隙磁場，經過機械換向器的功能后，再與電樞得電后產生的磁場保持垂直，以形成最大的轉矩驅動電機轉動。無刷直流電機的電樞和永磁體分別安裝在定子和轉子上，以實現沒有電刷的換向，這點與永磁機的機構剛好是相反的。然而，要想產生變化的磁場就必須使用交流電給電機定子供電，這樣的目的是為了讓工作中的轉子產生的磁場互相作用而產生單方向的轉矩來使轉子轉動。無刷直流電機在工作時，定子繞組和轉子磁體發出旳磁場在空間上一直保持著直角的電度角。

二、無刷直流電機模型的建立分析

無刷直流電動機數學模型在這里是以三相且有兩個磁極的電機為例介紹的。Y型聯結、內轉子構造的電機定子繞組轉子上的三個霍爾傳感器在空間上相差120°對稱安放。在此結構的情況下，提出如下的假設：(1)忽略電機的磁路不是飽和的；(2)不計旋渦損耗和磁滯損耗；(3)不計電樞反應，感應電動勢的波形近似為正弦波；(4)忽略齒槽效應，永磁材料的電導率為零，電樞導體均勾地分布在電樞的表面；(5)功率開關的器件和其他器件都是理想的。

繞組在無刷直流電動機轉動時，經過其電流所帶有的載流導體，磁場賦予這些導體力的作用形成總轉矩就是電動機的電磁轉矩。假如無刷電機的電流最大值是Ip，電動勢最大值是Ep，繞組中同一時間只有兩相導通，在主流側觀察時為串聯，因此電磁功率為Pm=2EpIp，不計電機換相時刻的作用，它的電磁轉矩為

上式之中，ψp為電機電磁磁鏈的峰值。由此可以得知，無電刷直流電機的電磁轉矩與電流Ip成正比，與平常的直流電機的關系是相同的。

三、系統控制方案

由于無電刷，所以無刷直流電機要使用傳感器找出轉子位置和電子開關來變化線圈中的電流方向，而不能自動換向，所以如果想擁有源源不斷向前的動力，就必須要對轉子永磁體位置進行精確的檢測以及讓電子開關變換不相同的繞組通電才能實現。光傳感器、IGBT都是屬于轉子位置檢測傳感器的一種，對于永久磁體和定子的帶電線圈位置的監測，是通過三相無電刷電動機中的霍爾傳感器進行監測的，這是目前大多數電動車使用的。驅動功率型場效應管組成的電子開關是通過3個霍爾傳感器發出的6種各不相同的信號向電機供電。上述便是通常所說的分6步進行換相的方法。

無刷直流電機控制系統是通過檢測相應信息得知轉子位置的，并且通過轉把來調節電機轉速。核心部件單片機獲取霍爾傳感器得到的信息后，把獲取到的信息經過處理后，再傳送到控制逆變電路里的每個場效應管中，用來決定場效應管的開通或者關斷，讓電機能夠如常的運行。

為了讓線路板和其他重要的器件不受到過流的影響，設計出了包括電流檢測電路和過流保護電路的電流模塊。同時為了不讓電源電壓太低時，不對外界提供電，設計出了欠壓保護電路。經過相應的A/D轉換后的定時采樣轉把電平輸出相應的PWM占空比。可以參考電機專用的控制芯片MC233032的輸出曲線設置轉把電平與PWM占空比的對應關系。無刷直流電機控制系統的硬件設計電路總體框圖如圖6所示，選擇PIC16F917單片機作為主芯片，結合電源電路、驅動電路、逆變電路、電流檢測電路及位置檢測電路加上一部分外圍電路組成了硬件電路的總框圖。其中電源電路作為主控芯片、驅動電路和逆變電路提供電源；驅動電路接收主控芯片的指令完成對逆變電路開關管的開斷，通過對開關管通斷時間的控制達到對無刷直流電機轉速的控制；保護電路包括欠壓保護和過流保護；轉把信號輸入電路是等到電機正常旋轉，即進入閉環控制后用來調節轉速；轉子位置檢測電路為主控芯片提供了轉子位置信息，來完成電機的準確換相和為速度的提取提供根據。

四、PWM調制方式

三相6種特性的無刷直流電機采用的是兩兩相之間相互導通的形式，在一個周期內，任意一個功率開關開通120°，2個功率開關器件相隔60°相互轉換一次。有5種PWM調試方式：onp，pon，Hp-Lon，Hon-Lp，Hp-Lp。其分別的情況如下：(1)onp：在120°導通區域中，前面60°永久導通通，后面60°使用PWM調節。(2)pon：在120°導通區域中，前面60°使用PWM調節，后面60°永久導通。(3)Hp-Lon：在120°導通區域中，上橋臂使用PWM調節，下橋臂永久導通。(4)Hon-Lp：在120°導通區域中，上橋臂永久導通，下橋臂使用PWM調節。(5)Hp-Lp：在120°導通區域中，上下橋臂都是使用PWM調節

五、總結

簡單的介紹了整體的控制系統方案以及簡單分析了無刷直流電機系統總體框圖，之后介紹了無刷直流電機轉子位置信號的檢測方式和方法，采用PWM調制方式。針對無刷直流電機的結構特點，以及其在運轉時所用到的相關原理做出了介紹，以此設計出了相關的控制仿真模型，為整個系統的調試工作方便可靠的基礎，對于控制算法功能的增強及調試工作的順利進行提供了保障。