基于STC单片机的无刷直流电机控制系统设计

2020-05-14谢少华

电子元器件与信息技术 2020年2期

关键词：直流电机霍尔控制器

谢少华

（新疆农业职业技术学院农业工程学院，新疆昌吉 831100）

0 引言

无刷直流电机在现代工业中应用越来越广泛，开发设计性价比高，系统控制性能优越。无刷直流电机控制芯片主要由单片机，FPGA，以及DSP等为主流，单片机由于其开发成本低，控制性能好，性价比高成为目前工业领域的主流。

1 无刷直流电机工作原理

以电子换向代替机械换向的无刷永磁直流电动机的基本结构包括永磁无刷电动机本体、电子开关电路(逆变器和控制器)和转子位置传感器三部分。其工作原理为，M为永磁电动机本体，PS为与电动机转子同轴连接的转子位置传感器，控制电路把转子位置传感器检测到的信号进行逻辑变换后产生脉宽调制的PWN信号，经过驱动电路放大后送到逆变器各功率开关，从而使各相绕组按一定顺序工作，并在气隙中产生跳跃式旋转磁场，则转子磁场受到气隙中旋转磁场的作用就将沿固定方向连续转动[1-2]。

2 控制系统设计

2.1 控制系统整体方案

本文设计对象为家电风扇用无刷直流电机，电机控制器设计要求：①支持12V，80W以下，带有霍尔传感器的无刷直流电机；②具有电机启、停功能；③电机转速可以通过电位调节器进行调节；④电机速度稳定，闭环控制，具有过流，过压，欠压等故障保护功能。根据控制的设计要求，系统主要包括四大部分，控制器、电机驱动、电机保护电路、位置传感器。具体如图1。

2.2 控制器设计

控制器的主要作用是根据电动机旋转要求和霍尔转子位置传感器的三个输出信号，经过内部芯片，霍尔的三个信号转换为可以驱动逆变器上六个功率开关器件所要求驱动信号。控制器的另一个重要功能是根据电压、电流和转速等反馈模拟信号，以及随机发出的制动信号，经过数模转换和芯片的内部运算后，借助内置的时钟信号产生一个带有上述各种信息的脉宽调制信号，同时，对电机反馈的过流，过压，欠压等故障信号进行处理，一旦接收到故障信号，进行系统停机，实现对电机的保护[3]。本文选用STC89C52单片机，是由深圳宏晶科技公司生产的与工业标准MCS-51指令集和输出管脚相兼容的单片机。STC89C52功能如表1。

表1 STC89C52主要功能

STC89C52最小应用系统电路如图2，它包含五个电路部分：电源电路、时钟电路、复位电路、片内外程序存储器选择电路、输入/输出接口电路。其中电源电路、时钟电路、复位电路是保证单片机系统能够正常工作的最基本的三部分电路，缺一不可。

2.3 电机驱动

无刷直流电机的电机驱动采用6个IGBT管组成逆变器上的主电路，控制信号并不能直接实现对MOS管的控制，需要驱动电路才能实现其控制[4]。注意，当驱动电路副边与主电路存在耦合时，需要使用变压器光耦等隔离措施，采用EX840芯片驱动电路。

2.4 电机保护电路

电机的主要保护电路包括，过流保护，欠压保护，主要采用比较原理，具体采用LM358芯片，电源电压经分压后接单片机，单片机内部设置判断程序[5-6]。当电压过低时给出欠压信号，单片机输出截止，防止由于过压损坏器件。

2.5 位置传感器

根据无刷直流电机工作原理可知，无刷直流电机要正常运行，需要正确的位置信号。无刷直流电机的位置传感器主要由电磁式，光电式，磁敏式，具体比较见表2。

表2 无刷直流电机器件比较

由表2可知，磁敏式位置传感器优势明显，所以，本文选择磁敏式位置传感器，具体为开关型霍尔集成电路元件。

位置传感器的基本要求：①所产生的开关状态是不重复的；②每一个开关状态所占的电角度相等；③所产生的开关状态数应与电动机的工作状态数相对应。显然，霍尔元件的位置传感器的个数与电机的相数及导通方式有关。一般来说，位置传感器最少个数等于电机相数，本文电机为三相六状态两相导通方式，霍尔元件数为3个，安装位置应当间隔120°的电角度。