基于单片机的永磁无刷直流电机控制系统设计

2017-02-21韩武君

数码世界 2017年2期

关键词：直流电机永磁定子

韩武君

辽宁锦州渤海大学工学院

基于单片机的永磁无刷直流电机控制系统设计

韩武君

辽宁锦州渤海大学工学院

本文设计基于单片机的永磁无刷直流电机控制系统，主要对系统的硬件部分进行了设计。系统选用低功耗、高效率的单片机MSP430F149作为电机的控制器。对系统结构、功能及工作原理进行描述，主要研究了无刷电机的设计过程。

永磁无刷直流电机 MSP430f149 硬件设计

1 引言

永磁无刷直流电机(Permanent Magnet Brushless DC Motor, PMBLDCM)是强大的现代科技发展的推动下的产物，是一种功能特性更为优良的电动机。它的出现标志着无刷直流电机（Brushless DC Motor，BLDCM）的诞生。其结构与直流电机只是略有不同，无刷直流电机的转子采用永磁材料制成的永磁体，电枢绕组放在定子上。从而使得无刷直流电机的性能较之前有了空前的提高，弥补了旧式直流电机的不足，满足了市场对直流电机的技术要求。

2 永磁无刷直流电机简介

2.1 电机本体结构

永磁无刷直流电机的电机本体主要组成部分有定子绕组、外壳、转子永磁体、驱动轴、霍尔传感器等。由于定子上的电枢与永磁无刷直流电机相反，因而其具有固定的电枢和旋转磁场，无刷直流电机的电枢绕组置于定子上，本文主要讨论三相的形式。电枢绕组采用集中绕组的形式，三相绕组其在空间上通过的与此同时，与之相对应的三相电流随之在相对应的空间也会形成旋转磁场，它的同步转速n0与定子电流频率f关系为：

其中Pn为电机极对数，本课题采用的是四级。铁芯磁极是由0.5mm钢板冲压叠片形成，并与励磁绕组的绕组杆的两个终端接收两个集电环，然后通过静电刷和集电环相引出，其中由连接方式是NSNS样式排列的直流励磁电源供电。

2.2 电动机组成

无刷直流电动机是由电动机本体（定子为电枢和转子和永磁体）、位置传感器和电子换向线路三大部分组成。图1为电机基本组成图，电机的运行就是依赖图中所示的电路部分。

图1 电动机的组成图

3 系统硬件设计

永磁无刷直流电机的硬件部分主要涉及主电路和辅助电路的设计以及单片机的选择。控制系统的控制器选用低功耗、高效率的16位单片机MSP430F149。主电路包括功率驱动电路和逆变电路，辅助电路主要有检测电路和保护电路，另外还有必要的键盘输入电路和显示电路。将这些电路相应的连接到MSP430F149芯片上，即完成了硬件部分的设计。电路的作用是可让永磁无刷直流电机正常的运行，并且可以实现正反转控制、调速控制、换相控制。硬件系统总体框图如图2所示：

图2 硬件控制系统总体框图

3.1 控制系统设计

本系统的控制器采用MSP430F149单片机。主电路由驱动电路、逆变器、永磁无刷直流电机等构成。逆变电路选择六个IGBT搭建而成，MSP430F149控制器工作时，发出触发脉冲，将直流电压逆变成电机需要的交流电压。控制电路则由MSP430F149控制器进行控制。在对控制系统设计过程中，要遵循控制系统设计原则，即轻量化，高效化以及无噪音化，功率开关器件采用的是绝缘栅双极晶体管IGBT，可以利用IGBT的通断控制功能，达到对输出电压和频率的控制。

3.2 主电路的设计

在对无刷直流电机控制系统设计时，应首先设计主电路，主电路在系统运行过程中起到能量交换、驱动电动机工作的作用，是强电电路。主电路部分主要是逆变电路，其功能是将接入的直流电转变为供电机工作的交流电，以此来实现电机控制。

在对控制系统设计过程中，要遵循控制系统设计原则，即轻量化，高效化以及无噪音化，根据这些要求，本模块逆变电路的功率开关器件采用的是IGBT。IGBT优点众多，开关速度快，属于理想型电压控制器件，开关安全区比较大，驱动电路比较简单，适用于高频变流装置。

3.3 信号检测电路的设计

信号检测电路主要测量永磁无刷电机的转速、转子位置等参数，作为反馈信息输入到控制器成为控制算法的依据。在本文所研究的无刷直流电机的控制系统中，为了实现电流反馈闭环控制，系统就要求控制器可以对定子绕组中的实际三相电流进行实时观测。直接检测式霍尔电流传感器工作时，若被检测电流很大，系统要求磁路不能饱和，保证测量的线性度，所以设计者需要加大铁芯截面积，这就不可避免的使得检测装置体积过大，不利于传感器的应用。可以通过LEM模块把磁放大器、互感器、电子线路和霍尔元件组合在了一起，这种集成保证测量范围大的同时，又拥有反应速度快的优点。

本课题选用LTSR6-NP型电流传感器，定子绕组的电流信号首先经过电流传感器采样，转化为电压信号。MSP430F149的AD采样范围是0-3.3V，而采样获得的电压信号大小是0～4.5V。所以，在本课题设计的电流检测电路中，系统采样获得的电压信号要调制到-3～0V，利用运算放大器可以达到要求，再经过另一个运算放大器，使范围是-3~0V的电压信号反向等比例放大到0～3V，最终，经过二极管保护电路，信号输入MSP430F149芯片的ADC模块。通过12864显示模块显示出来以便实时监测。以上就是电流检测电路的基本工作过程。电流检测电路如图3所示。

图3 电流检测电路

3.4 保护电路的设计

保护电路的设计是电机控制系统正常运行的的重要保障，电路保护包括电压保护和电流保护。本课题主电路的逆变器的开关元件由高频电力电子器件IGBT构成，系统工作时，对开关元件进行通断操作，可以控制输出电压和频率，要求定子里的正弦电流产生的磁通和转子磁场实时相差90°，这就达到了矢量控制的目的。

由图4可以看出，霍尔电流传感器HNC025A经整流滤波转换过来的电压信号作为了保护电路的输入，输入信号AI_IN，即待比较电压，它加到反相输入端，在同相输入端接一个电阻和滑动变阻器以及一个5V的电源，调节滑动变阻器WR5的值即可调节保护电路的值，当输入电压AI_IN>U+时，运放输出信号为低电平。根据光耦作用，副边的三极管输入电流增大，三极管导通，输出端产生高电平信号，经过施密特触发器阈值比较，最后输出为低电平有效，实现过流保护。施密特触发器的过流是严重的电路故障。图4是电流保护检测电路。右端输出信号可与MSP430F149上任一引脚相连，没有固定的连接引脚。

图4 电流检测保护电路

3.5 键盘输入电路设计

电机的正常运行不仅依赖于其他硬件模块的设计，还需要一个很重要的部分，键盘电路。控制电机系统的运行不只是需要复位键，还需要很多可以向控制系统输入运行参数的按键，以便随时掌握电机的运行状态，键盘电路由键盘接口电路、键盘和键盘扫描程序组成。由于程序设计到的只有无各按键，因此硬件设计只需五个按键电路即可，键盘的基本工作原理是利用动、静触点之间的接触与断开来实现按钮两引脚的通断，动静触点的接触与断开又手按按钮和松开这一动作实现。本电路和控制系统的MSP430F149的连接非常简单，彼此有相应的引脚，直接连接即可。