基于MCU的無刷直流電機控制系統剖析

浙江鑒豐電子科技有限公司 王 慶

無刷直流電機屬于一種新型無級變速電動設備，具有體積小、質量輕、調速快的特點，應用領域特別廣泛。通過分析無刷直流電機控制系統，能夠幫助操作人員更好的了解無刷直流電機運行特點，進一步提升數字信號處理質量。鑒于此，本文主要介紹基于MCU的無刷直流電機控制系統，實現無刷直流電機的數字化控制。

1 無刷直流電機工作原理

無刷直流電機內部結構比較復雜，屬于永磁同步電動機，其內部的定子繞組在交流電場的作用下產生旋轉磁場;轉子作為無刷直流電機的永磁體，能夠為轉子提供充足的勵磁，電樞磁勢與轉子磁勢在同一反應過程當中，能夠產生電磁轉矩，使電機轉動運行。結合直流電機的運行特點，保證兩個磁場處于垂直狀態，可以產生最大輸出電磁轉矩。由于無刷直流電機內部的轉子長期處于運行狀態，內部磁場也處于旋轉狀態，為了保證無刷直流電機的穩定可靠運行，設計人員要合理優化三相定子的通電時序，保證定子磁場與轉子磁場處于垂直狀態[1]。

對于設計人員來說，在實際工作當中，要結合無刷直流電機內部轉子的運行情況，并根據三相定子的通電情況，來確定霍爾位置傳感器的安裝位置。霍爾位置傳感器能夠準確輸出轉子位置信息，幫助操作人員更好的控制通電時序，保證轉子能夠更加平穩可靠的運行。

2 基于XMC1300的無刷直流電機硬件電路設計要點分析

2.1 主控電路設計分析

無刷直流電機控制系統中，設計人員在設計主控電路的過程中，可以采用XMC1302為主要控制芯片，XMC1302是基于ARM M0核的32位微控制器(單片機)，它具有一個獨特的CCU8單元，CCU8單元內部含有4個獨立的計時單元，可以同時產生8路互補的PWM信號，無刷電機控制中僅需要6路互補的PWM信號。在定子繞組中，按不同的控制方法(如方波控制，矢量控制等)通入相應的控制時序，在定子中就會產生旋轉的磁場。在旋轉磁場的作用下，永磁體轉子同步轉動。合理的控制時序，保證無刷直流電機內部的驅動功率更加穩定[2]。

2.2 驅動電路設計分析

MCU系統一般為低壓系統，無刷直流電機一般需要高壓電子開關驅動，為了保證MCU輸出的低壓PWM信號能夠可靠穩定有效的傳輸到無刷電機定子上，通常在MCU和無刷電機電子開關器件之間設置合理的驅動電路，實現低壓與高壓的隔離，同時提升驅動電子開關器件的驅動能力.同時驅動電路帶有多種有效的保護機制，比如欠壓保護，高邊低邊互鎖保護，以及有效的濾波，提高驅動信號的可靠性。例如，設計人員可以采用集成驅動芯片IR2136，有效提升驅動信號的穩定性，保證整個系統更加安全可靠運行[3]。

2.3 轉子位置檢測電路設計分析

設計轉子檢測電路的目的主要有兩個:實時獲得轉子的位置信息和實時獲得轉子的轉速信息。轉子位置檢測電路一般采用霍爾位置傳感器， 霍爾位置傳感器安裝在無刷直流電機內部， 互差60°或120°。霍爾位置傳感器安裝精度直接影響檢測轉子位置的精度。還有一種比較常用的檢測方法:通過判斷非導通相的過零信號來判斷轉子的位置信息，此方波公適用于方波驅動。后者省掉了霍爾傳感器，在降低硬件成本的同時，減少了無刷直流電機在制造過程中的工序，也從另一方面降低了電機的制造成本。

3 基于XMC1300的無刷直流電機軟件電路設計要點分析

3.1 無刷直流電機驅動時序

無刷直流電機驅動時序通常有兩種:方波驅動時序和正弦波驅動時序.設計人員根據應用需求選擇合理的驅動時序是非常的重要的.方波驅動在某一時刻，三相定子中只有兩相導通，設計人員根據不同的霍爾位置信號，選擇合理的導通相，即可以在定子中產生旋轉的磁場.方波驅動，成本低，可靠性高，產生上下電子開關直通的風險小，不用設置死區，但產生的磁動勢是正六邊形的，而非圓形，所以會產生轉矩脈動，同時電磁噪音大.正弦波驅動時序又分為SPWM時序和SVPWM時序.兩者在同一時刻，三相定子都導通，同時都能產生圓形旋轉的定子磁場，但SVPWM的電壓利用率比SPWM高15%.圓形旋轉的定子磁場，更加平滑， 轉矩脈動小，電磁噪音低.

不同廠家生產的無刷直流電機位置信號輸出有差別，因此，在采購無刷直流電機的過程中，設計人員要結合各個廠家提供的數據，選擇合理的無刷直流電機驅動時序。在調試無刷直流電機時序的過程中，操作人員可以根據霍爾傳感信號的分布情況，將6N137進行有效隔離，并用手緩慢撥動電機內部轉子，準確讀取電機順時針與逆時針轉圈霍爾傳感器信號數據[4]。讀取完霍爾傳感器信號數據后，操作人員要根據電機的運行情況，合理調整電機的運行狀態。通過科學控制無刷直流電機驅動時序，在保證無刷直流電機穩定運行的基礎之上，不斷提升電機的整體運行效率。

3.2 霍爾傳感器信號檢測

在無刷直流電機中，霍爾傳感器位置信號主要由霍爾傳感器進行傳遞，操作人員可以將電機內部電路進行有效隔離，并準確連接MCU與POSIF單元，保證無刷直流電機內部換相得到有效控制，準確計算電機內部轉速。當無刷直流電機內部的轉子運行速度較快時，會降低霍爾傳感信號的準確性。因此，設計人員要結合MCU的運行情況，科學識別霍爾傳感器信號，保證無刷直流電機內部的通電相序更加合理[5]。

除此之外，在檢測霍爾傳感器信號的過程中，設計人員可以根據MCU設備運行周期，準確計算無刷直流電機的轉速和轉子的位置角度。通過合理檢測霍爾傳感器信號，能夠為操作人員提供更加精確的數據，更有效的控制時序，保證無刷直流電機能夠更加安全可靠的運行。

3.3 科學選擇PWM波頻率

為了保證無刷直流電機的安全運行，能夠從全方面滿足設計要求，需要科學的選擇PWM的工作頻率.如果PWM的工作頻率太高，一方面會增加電子開關器件的開關損耗，發熱量增大，為了保證安全運行，可能要選擇高余量的電子開關，無形中增加了成本。另一方面，受MCU運行速度的影響，不宜選擇過高的PWM頻率，否則會損失控制精度，環路控制波動變大。由于無刷直流電機內部結構比較復雜，在實際操作過程中，操作人員可以根據電機控制系統的運行情況，合理調整電機控制系統的運行速率，進一步提升無刷直流電機的抗干擾能力[6]。如果PWM頻率選擇太低，電機的運行電磁噪音會增大。為了不斷減少無刷直流電機噪音，保證MCU電機控制模塊的穩定運行，設計人員需要選擇合理的PWM運行頻率。在檢測PWM控制信號的過程中，操作人員要根據系統內部三相全橋換向器的運行情況，合理判斷PWM信號的準確性，保證驅動電路的電子開關安全運行。

通過科學選擇PWM波頻率，能夠為操作人員提供更加準確的電機運行數據，保證無刷直流電機能夠更加可靠的運行。由于MCU運行單元能夠采集大量的數據，操作人員可以結合電機運行情況，合理調整PID參數，科學控制驅動電機的運行速率。一般情況下，電機內部的驅動速率不宜超過15°/s，保證電機停留在合理位置[7]。

MCU判斷系統在運行過程當中，由于電機的運行速度不同，設計人員需要準確判斷電機的運行指令，準確計算占空比的PWM數值，并結合控制系統的整體運行情況，妥善控制電機的運行速率。無刷直流電機內部的跟蹤系統結構比較復雜，設計人員在實際工作當中，要結合控制系統的總體運行情況，將目標進行合理分解，保證無刷直流電機內部控制系統的安全運行。

4 結束語

綜上，通過科學設計無刷直流電機驅動時序、準確檢測霍爾傳感器信號、合理選擇PWM波頻率，能夠保證無刷直流電機更加可靠的運行，提升無刷直流電機內部控制系統的總體運行效率。對于相關設計人員來講，在實際工作當中，要不斷學習先進的微控制器知識，提升自身的專業技能，不斷提升無刷直流電機控制系統的控制精度。

[1]吳布托.淺談DSP在無刷直流電機控制系統中的應用[J].科技信息,2015(31):146+148.

[2]盧小錦.基于DSP/BIOS的無刷直流電機控制系統的研制[J].自動化技術與應用,2016,30(05):21-25.

[3]馬吉富.基于TP6584AFNG正弦波驅動的無刷直流電機控制系統[J].黑龍江科技信息,2015(09):51.

[4]曾麗,吳浩烈,肖瑩.基于DSP的無位置傳感器無刷直流電機控制系統的設計[J].微電機,2016,43(10):63-66.

[5]卿曉輝,羅隆福,李勇,許加柱,李季.基于DSP的無位置傳感器無刷直流電機控制系統的軟化策略研究及實現[J].防爆電機,2015(03):25-28+49.

[6]張鴻靜.基于DSP的無位置傳感器無刷直流電機控制系統[J].燕山大學學報,2016(03):206-211.

[7]劉勇.基于DSP的無位置傳感器無刷直流電機控制系統[J].微特電機,2015(01):40-42.