基于MCU的无刷直流电机控制系统剖析

2018-04-18浙江鉴丰电子科技有限公司

电子世界 2018年11期

浙江鉴丰电子科技有限公司王庆

无刷直流电机属于一种新型无级变速电动设备，具有体积小、质量轻、调速快的特点，应用领域特别广泛。通过分析无刷直流电机控制系统，能够帮助操作人员更好的了解无刷直流电机运行特点，进一步提升数字信号处理质量。鉴于此，本文主要介绍基于MCU的无刷直流电机控制系统，实现无刷直流电机的数字化控制。

1 无刷直流电机工作原理

无刷直流电机内部结构比较复杂，属于永磁同步电动机，其内部的定子绕组在交流电场的作用下产生旋转磁场;转子作为无刷直流电机的永磁体，能够为转子提供充足的励磁，电枢磁势与转子磁势在同一反应过程当中，能够产生电磁转矩，使电机转动运行。结合直流电机的运行特点，保证两个磁场处于垂直状态，可以产生最大输出电磁转矩。由于无刷直流电机内部的转子长期处于运行状态，内部磁场也处于旋转状态，为了保证无刷直流电机的稳定可靠运行，设计人员要合理优化三相定子的通电时序，保证定子磁场与转子磁场处于垂直状态[1]。

对于设计人员来说，在实际工作当中，要结合无刷直流电机内部转子的运行情况，并根据三相定子的通电情况，来确定霍尔位置传感器的安装位置。霍尔位置传感器能够准确输出转子位置信息，帮助操作人员更好的控制通电时序，保证转子能够更加平稳可靠的运行。

2 基于XMC1300的无刷直流电机硬件电路设计要点分析

2.1 主控电路设计分析

无刷直流电机控制系统中，设计人员在设计主控电路的过程中，可以采用XMC1302为主要控制芯片，XMC1302是基于ARM M0核的32位微控制器(单片机)，它具有一个独特的CCU8单元，CCU8单元内部含有4个独立的计时单元，可以同时产生8路互补的PWM信号，无刷电机控制中仅需要6路互补的PWM信号。在定子绕组中，按不同的控制方法(如方波控制，矢量控制等)通入相应的控制时序，在定子中就会产生旋转的磁场。在旋转磁场的作用下，永磁体转子同步转动。合理的控制时序，保证无刷直流电机内部的驱动功率更加稳定[2]。

2.2 驱动电路设计分析

MCU系统一般为低压系统，无刷直流电机一般需要高压电子开关驱动，为了保证MCU输出的低压PWM信号能够可靠稳定有效的传输到无刷电机定子上，通常在MCU和无刷电机电子开关器件之间设置合理的驱动电路，实现低压与高压的隔离，同时提升驱动电子开关器件的驱动能力.同时驱动电路带有多种有效的保护机制，比如欠压保护，高边低边互锁保护，以及有效的滤波，提高驱动信号的可靠性。例如，设计人员可以采用集成驱动芯片IR2136，有效提升驱动信号的稳定性，保证整个系统更加安全可靠运行[3]。

2.3 转子位置检测电路设计分析

设计转子检测电路的目的主要有两个:实时获得转子的位置信息和实时获得转子的转速信息。转子位置检测电路一般采用霍尔位置传感器，霍尔位置传感器安装在无刷直流电机内部，互差60°或120°。霍尔位置传感器安装精度直接影响检测转子位置的精度。还有一种比较常用的检测方法:通过判断非导通相的过零信号来判断转子的位置信息，此方波公适用于方波驱动。后者省掉了霍尔传感器，在降低硬件成本的同时，减少了无刷直流电机在制造过程中的工序，也从另一方面降低了电机的制造成本。

3 基于XMC1300的无刷直流电机软件电路设计要点分析

3.1 无刷直流电机驱动时序

无刷直流电机驱动时序通常有两种:方波驱动时序和正弦波驱动时序.设计人员根据应用需求选择合理的驱动时序是非常的重要的.方波驱动在某一时刻，三相定子中只有两相导通，设计人员根据不同的霍尔位置信号，选择合理的导通相，即可以在定子中产生旋转的磁场.方波驱动，成本低，可靠性高，产生上下电子开关直通的风险小，不用设置死区，但产生的磁动势是正六边形的，而非圆形，所以会产生转矩脉动，同时电磁噪音大.正弦波驱动时序又分为SPWM时序和SVPWM时序.两者在同一时刻，三相定子都导通，同时都能产生圆形旋转的定子磁场，但SVPWM的电压利用率比SPWM高15%.圆形旋转的定子磁场，更加平滑，转矩脉动小，电磁噪音低.

不同厂家生产的无刷直流电机位置信号输出有差别，因此，在采购无刷直流电机的过程中，设计人员要结合各个厂家提供的数据，选择合理的无刷直流电机驱动时序。在调试无刷直流电机时序的过程中，操作人员可以根据霍尔传感信号的分布情况，将6N137进行有效隔离，并用手缓慢拨动电机内部转子，准确读取电机顺时针与逆时针转圈霍尔传感器信号数据[4]。读取完霍尔传感器信号数据后，操作人员要根据电机的运行情况，合理调整电机的运行状态。通过科学控制无刷直流电机驱动时序，在保证无刷直流电机稳定运行的基础之上，不断提升电机的整体运行效率。

3.2 霍尔传感器信号检测

在无刷直流电机中，霍尔传感器位置信号主要由霍尔传感器进行传递，操作人员可以将电机内部电路进行有效隔离，并准确连接MCU与POSIF单元，保证无刷直流电机内部换相得到有效控制，准确计算电机内部转速。当无刷直流电机内部的转子运行速度较快时，会降低霍尔传感信号的准确性。因此，设计人员要结合MCU的运行情况，科学识别霍尔传感器信号，保证无刷直流电机内部的通电相序更加合理[5]。

除此之外，在检测霍尔传感器信号的过程中，设计人员可以根据MCU设备运行周期，准确计算无刷直流电机的转速和转子的位置角度。通过合理检测霍尔传感器信号，能够为操作人员提供更加精确的数据，更有效的控制时序，保证无刷直流电机能够更加安全可靠的运行。

3.3 科学选择PWM波频率

为了保证无刷直流电机的安全运行，能够从全方面满足设计要求，需要科学的选择PWM的工作频率.如果PWM的工作频率太高，一方面会增加电子开关器件的开关损耗，发热量增大，为了保证安全运行，可能要选择高余量的电子开关，无形中增加了成本。另一方面，受MCU运行速度的影响，不宜选择过高的PWM频率，否则会损失控制精度，环路控制波动变大。由于无刷直流电机内部结构比较复杂，在实际操作过程中，操作人员可以根据电机控制系统的运行情况，合理调整电机控制系统的运行速率，进一步提升无刷直流电机的抗干扰能力[6]。如果PWM频率选择太低，电机的运行电磁噪音会增大。为了不断减少无刷直流电机噪音，保证MCU电机控制模块的稳定运行，设计人员需要选择合理的PWM运行频率。在检测PWM控制信号的过程中，操作人员要根据系统内部三相全桥换向器的运行情况，合理判断PWM信号的准确性，保证驱动电路的电子开关安全运行。

通过科学选择PWM波频率，能够为操作人员提供更加准确的电机运行数据，保证无刷直流电机能够更加可靠的运行。由于MCU运行单元能够采集大量的数据，操作人员可以结合电机运行情况，合理调整PID参数，科学控制驱动电机的运行速率。一般情况下，电机内部的驱动速率不宜超过15°/s，保证电机停留在合理位置[7]。

MCU判断系统在运行过程当中，由于电机的运行速度不同，设计人员需要准确判断电机的运行指令，准确计算占空比的PWM数值，并结合控制系统的整体运行情况，妥善控制电机的运行速率。无刷直流电机内部的跟踪系统结构比较复杂，设计人员在实际工作当中，要结合控制系统的总体运行情况，将目标进行合理分解，保证无刷直流电机内部控制系统的安全运行。