基于PIC單片機(jī)的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)

摘要：基于PIC單片機(jī)的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，可以讓人們對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的要求得到滿足。無(wú)刷直流電機(jī)可以在延長(zhǎng)電機(jī)定期維護(hù)修理時(shí)間的基礎(chǔ)上，促進(jìn)電機(jī)使用效率的提升。本文主要從無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)方案入手，對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)等問(wèn)題進(jìn)行了探究。

關(guān)鍵詞：PIC單片機(jī)；無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)；系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

隨著社會(huì)生產(chǎn)技術(shù)與人們生活水平的提升，無(wú)刷直流電機(jī)已經(jīng)在航空航天、國(guó)防科技和家用電器等多個(gè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用。根據(jù)單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，基于單片機(jī)技術(shù)和DSP微處理器技術(shù)的數(shù)字系統(tǒng)已經(jīng)逐步取代了傳統(tǒng)的模擬系統(tǒng)。基于單片機(jī)的無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)的出現(xiàn)，在節(jié)約生產(chǎn)成本的同時(shí)，發(fā)揮出了降低電路PCB板布線難度的作用。

1 無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

無(wú)刷直流電機(jī)模型建立在直流電機(jī)模型基礎(chǔ)之上。根據(jù)無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用需求，人們可以借助Proteus軟件對(duì)電機(jī)的額定使用電壓、空載狀態(tài)參數(shù)和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整[1]。在一些無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)之中，ATmegal128單片機(jī)發(fā)揮著主控芯片的作用。一般情況下，無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)主要包含有以下內(nèi)容：一是電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)；二是轉(zhuǎn)子位置傳感器；三是電子開(kāi)關(guān)線路；四是驅(qū)動(dòng)電路。與之相關(guān)的控制系統(tǒng)需要在檢測(cè)相應(yīng)信息的基礎(chǔ)上，確定轉(zhuǎn)子的位置。在基于PIC單片機(jī)的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)方面，人們需要對(duì)霍爾傳感器和由驅(qū)動(dòng)功率型場(chǎng)效應(yīng)管組成的電子開(kāi)關(guān)等器件進(jìn)行應(yīng)用。電流檢測(cè)電路和過(guò)流保護(hù)電路模塊的構(gòu)建，有助于對(duì)線路板及其他重要器件的過(guò)流影響進(jìn)行控制。電源電路需要發(fā)揮出主控芯片的作用，并要為驅(qū)動(dòng)電路和逆變電路提供電源。與之相關(guān)的保護(hù)電路包含有欠壓保護(hù)機(jī)制和過(guò)流保護(hù)機(jī)制。

2 無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路包含有硬件電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和功率逆變電路等多種電路?；赑IC單片機(jī)的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，可以讓人們對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的要求得到滿足。無(wú)刷直流電機(jī)可以在延長(zhǎng)電機(jī)定期維護(hù)修理時(shí)間的基礎(chǔ)上，促進(jìn)電機(jī)使用效率的提升。

2.1 主控單元設(shè)計(jì)

主控單元是無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中的重要內(nèi)容。與之相關(guān)的各個(gè)引腳需要發(fā)揮出數(shù)字量輸入口、模擬量輸入口和單片機(jī)電源端接地管腳等功能。根據(jù)無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)需要，主控單元的電壓范圍可以控制在2.0V至5.5V之間。高灌/拉電流需要具有直流驅(qū)動(dòng)LED的能力。為保證主控單元的實(shí)用性，人們需要在主控單元中設(shè)計(jì)2個(gè)8位定時(shí)器、1個(gè)16位定時(shí)器和2個(gè)PWM輸出，與之相關(guān)的A/D轉(zhuǎn)換器需要包含有10位分辨率和8個(gè)通道。

2.2 電源模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的電源電路主要有兩組電源構(gòu)成。第一組電源為總電源，它可以為電路提供48V電壓。針對(duì)電源線、電路板走線過(guò)程中出現(xiàn)的雜波干擾，人們可以讓電路中的電解電容發(fā)揮出退耦功能。第二組電源電壓值為5V，具有著為單片機(jī)和邏輯電路提供電壓的功能。由于單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電壓值為5V，因而為單片機(jī)和邏輯電路提供電壓的電源電路的電壓范圍需要控制在4.9V至5.1V之間。

2.3 功率電路設(shè)計(jì)

功率電路在無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中發(fā)揮著較為重要的作用。其所具有的整流功能可以讓輸入電機(jī)控制系統(tǒng)的220V交流電轉(zhuǎn)變?yōu)?10V直流電。直流電壓可以被看作是逆變單元的直流母線電壓。根據(jù)控制器的要求，逆變單元可以將直流母線電壓逆變?yōu)榻涣麟妷?，并將其施加在電機(jī)繞組之上。整流電路和功率電路是無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)功率電路的重要組成部分。一般情況下，在電流突變至零以后，無(wú)刷直流電機(jī)繞組會(huì)在電流突變瞬間感受到較大的電壓。在換相階段，相電流的緩慢下降，可以為功率器件和電機(jī)提供一定的保護(hù)功能。出于保護(hù)電機(jī)的需要，人們還需要對(duì)電機(jī)的電流和溫度進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)此人們可以通過(guò)電源對(duì)地端連接一個(gè)取樣電阻，并讓取樣電阻發(fā)揮出電流傳感器的作用。

3 無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包含由主程序、位置檢測(cè)子程序和調(diào)速子程序等多個(gè)程序。捕捉中斷、定時(shí)中斷和外部中斷等軟件設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用，有助于系統(tǒng)靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗的降低[2]。與之相關(guān)的模塊化設(shè)計(jì)方案的應(yīng)用，可以在降低程序的復(fù)雜性的基礎(chǔ)上，降低程序調(diào)試與程序維護(hù)的難度。

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)主要指的是無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的子程序模塊設(shè)計(jì)和中斷服務(wù)程序等內(nèi)容。系統(tǒng)的初始化功能是系統(tǒng)主程序所具有的重要功能。出于獲取霍爾傳感器采集端口電平的需要，人們需要不斷開(kāi)啟定時(shí)器中斷設(shè)置，并要在定時(shí)中斷的信號(hào)出現(xiàn)變化的情況下，借助電子轉(zhuǎn)子位置調(diào)整措施完成子程序采樣。在上電復(fù)位以后，系統(tǒng)初始化設(shè)計(jì)主要包含有以下內(nèi)容：一是I/O的初始值設(shè)置、二是中斷設(shè)置與PWM相關(guān)寄存器的初值設(shè)置；三是A/D相關(guān)寄存器初值設(shè)置。

3.2 控制系統(tǒng)子程序模塊設(shè)計(jì)

子程序模塊涉及到了單片機(jī)中斷與模塊轉(zhuǎn)換器模塊等多個(gè)子系統(tǒng)。A/D轉(zhuǎn)換子程序流程涉及到了關(guān)閉中斷、采樣通道的選取轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取等多項(xiàng)內(nèi)容。

3.3 PC端監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)

PC端監(jiān)測(cè)軟件是電機(jī)控制系統(tǒng)中不可缺少的內(nèi)容，它可以發(fā)揮出促進(jìn)電機(jī)工作效率提升和降低系統(tǒng)調(diào)試時(shí)間的作用。為提升數(shù)據(jù)的直觀性及數(shù)據(jù)的表達(dá)能力，人們可以在對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線顯示形式進(jìn)行應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)

硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和PC端監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)是基于PIC單片機(jī)無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵元素。與之相關(guān)的模塊化設(shè)計(jì)方案的應(yīng)用，可以在降低程序的復(fù)雜性的基礎(chǔ)上，降低程序調(diào)試與程序維護(hù)的難度。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫曉旭，王勁松，安志勇.基于Proteus和AVR單片機(jī)的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)仿真[J].電子設(shè)計(jì)工程，2015，23（19）：174176+180.

[2]李健飛，郝桂青.基于MC9S12D64單片機(jī)的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2010，18（12）：102104.

作者簡(jiǎn)介：李小枝（1987），男，回族，甘肅隴西人，研究方向：四旋翼無(wú)人機(jī)及任務(wù)載荷測(cè)試。