基于单片机的无刷电机控制

(西南石油大学 四川 成都 610500)

引言

随着现代科学技术的发展和提高，人们对于无刷直流电机的要求也越来越高，无刷直流电机的出现满足了人们这一要求，无刷直流电机的最大特点就是采用了电子换向器替代了直流电机的机械换向器，这样做的目的是为了避免产生电磁干扰，导致电刷损坏等问题，无刷直流电机的产生延长了电机需要定期维护修理的时间，同时也使电机的使用时间得到了很大程度上的提高。直流电机控制和交流电机控制组成了电动机的总系统控制。电动机是电机控制系统核心，而电机又有直流电机和交流电机，在驱动装置中到底是采用直流机还是采用交流机呢？两者相比之下可知，直流电动机拥有更加稳定的调速功能，其结构与交流电动机相比也更简单。同时对于直流电机的宽调速、高转矩、稳定的工作、接近静音的运行状态等优点，无刷直流电机都具备，因此为相关控制系统技术的提高和创新提供了很大的帮助，具有非常重要的意义。

一、无刷直流电机的工作原理

永磁体组成了永磁式直流电机的定子，它主要的功能让电机产生气隙磁场，经过机械换向器的功能后，再与电枢得电后产生的磁场保持垂直，以形成最大的转矩驱动电机转动。无刷直流电机的电枢和永磁体分别安装在定子和转子上，以实现没有电刷的换向，这点与永磁机的机构刚好是相反的。然而，要想产生变化的磁场就必须使用交流电给电机定子供电，这样的目的是为了让工作中的转子产生的磁场互相作用而产生单方向的转矩来使转子转动。无刷直流电机在工作时，定子绕组和转子磁体发出旳磁场在空间上一直保持着直角的电度角。

二、无刷直流电机模型的建立分析

无刷直流电动机数学模型在这里是以三相且有两个磁极的电机为例介绍的。Y型联结、内转子构造的电机定子绕组转子上的三个霍尔传感器在空间上相差120°对称安放。在此结构的情况下，提出如下的假设：(1)忽略电机的磁路不是饱和的；(2)不计旋涡损耗和磁滞损耗；(3)不计电枢反应，感应电动势的波形近似为正弦波；(4)忽略齿槽效应，永磁材料的电导率为零，电枢导体均勾地分布在电枢的表面；(5)功率开关的器件和其他器件都是理想的。

绕组在无刷直流电动机转动时，经过其电流所带有的载流导体，磁场赋予这些导体力的作用形成总转矩就是电动机的电磁转矩。假如无刷电机的电流最大值是Ip，电动势最大值是Ep，绕组中同一时间只有两相导通，在主流侧观察时为串联，因此电磁功率为Pm=2EpIp，不计电机换相时刻的作用，它的电磁转矩为

上式之中，ψp为电机电磁磁链的峰值。由此可以得知，无电刷直流电机的电磁转矩与电流Ip成正比，与平常的直流电机的关系是相同的。

三、系统控制方案

由于无电刷，所以无刷直流电机要使用传感器找出转子位置和电子开关来变化线圈中的电流方向，而不能自动换向，所以如果想拥有源源不断向前的动力，就必须要对转子永磁体位置进行精确的检测以及让电子开关变换不相同的绕组通电才能实现。光传感器、IGBT都是属于转子位置检测传感器的一种，对于永久磁体和定子的带电线圈位置的监测，是通过三相无电刷电动机中的霍尔传感器进行监测的，这是目前大多数电动车使用的。驱动功率型场效应管组成的电子开关是通过3个霍尔传感器发出的6种各不相同的信号向电机供电。上述便是通常所说的分6步进行换相的方法。

无刷直流电机控制系统是通过检测相应信息得知转子位置的，并且通过转把来调节电机转速。核心部件单片机获取霍尔传感器得到的信息后，把获取到的信息经过处理后，再传送到控制逆变电路里的每个场效应管中，用来决定场效应管的开通或者关断，让电机能够如常的运行。

为了让线路板和其他重要的器件不受到过流的影响，设计出了包括电流检测电路和过流保护电路的电流模块。同时为了不让电源电压太低时，不对外界提供电，设计出了欠压保护电路。经过相应的A/D转换后的定时采样转把电平输出相应的PWM占空比。可以参考电机专用的控制芯片MC233032的输出曲线设置转把电平与PWM占空比的对应关系。无刷直流电机控制系统的硬件设计电路总体框图如图6所示，选择PIC16F917单片机作为主芯片，结合电源电路、驱动电路、逆变电路、电流检测电路及位置检测电路加上一部分外围电路组成了硬件电路的总框图。其中电源电路作为主控芯片、驱动电路和逆变电路提供电源；驱动电路接收主控芯片的指令完成对逆变电路开关管的开断，通过对开关管通断时间的控制达到对无刷直流电机转速的控制；保护电路包括欠压保护和过流保护；转把信号输入电路是等到电机正常旋转，即进入闭环控制后用来调节转速；转子位置检测电路为主控芯片提供了转子位置信息，来完成电机的准确换相和为速度的提取提供根据。

四、PWM调制方式

三相6种特性的无刷直流电机采用的是两两相之间相互导通的形式，在一个周期内，任意一个功率开关开通120°，2个功率开关器件相隔60°相互转换一次。有5种PWM调试方式：onp，pon，Hp-Lon，Hon-Lp，Hp-Lp。其分别的情况如下：(1)onp：在120°导通区域中，前面60°永久导通通，后面60°使用PWM调节。(2)pon：在120°导通区域中，前面60°使用PWM调节，后面60°永久导通。(3)Hp-Lon：在120°导通区域中，上桥臂使用PWM调节，下桥臂永久导通。(4)Hon-Lp：在120°导通区域中，上桥臂永久导通，下桥臂使用PWM调节。(5)Hp-Lp：在120°导通区域中，上下桥臂都是使用PWM调节

五、总结

简单的介绍了整体的控制系统方案以及简单分析了无刷直流电机系统总体框图，之后介绍了无刷直流电机转子位置信号的检测方式和方法，采用PWM调制方式。针对无刷直流电机的结构特点，以及其在运转时所用到的相关原理做出了介绍，以此设计出了相关的控制仿真模型，为整个系统的调试工作方便可靠的基础，对于控制算法功能的增强及调试工作的顺利进行提供了保障。