基于PIC18F4431 的永磁BLDCM 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何 琪，毛攀峰

(浙江國(guó)際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 船舶工程學(xué)院，浙江 舟山 316021)

在當(dāng)前水泵電機(jī)控制領(lǐng)域中，傳統(tǒng)的直流有刷電機(jī)由于其工藝要求高、維修保養(yǎng)不便、利用效率低等因素已逐步被淘汰。替代其是一種BLDCM(Brushless Direct Current Motor)即無(wú)刷直流電機(jī)，該BLDCM 控制電機(jī)轉(zhuǎn)速高、效率大已在水泵制造業(yè)中得到證實(shí)，今后將會(huì)成為此領(lǐng)域中的主流電機(jī)。

BLDCM 主要包括兩部分，即直流永磁電機(jī)部分和電樞繞組驅(qū)動(dòng)控制部分，BLDCM 的技術(shù)雖可大幅提高電機(jī)的效率，但對(duì)控制驅(qū)動(dòng)部分也涵有一定的技術(shù)要求，若控制驅(qū)動(dòng)與電機(jī)匹配不但不能有效的提高電機(jī)效率，且還會(huì)降低電機(jī)壽命。因此，結(jié)合目前DSPIC［1－2］技術(shù)將有效地完成對(duì)BLDCM 的控制。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

BLDCM 技術(shù)實(shí)際是一種直流永磁無(wú)刷電機(jī)與PWM 控制相結(jié)合的技術(shù)，通過(guò)霍爾傳感器對(duì)磁路的判斷，確定永磁轉(zhuǎn)子當(dāng)前位置，在確定相應(yīng)的PWM 控制脈沖驅(qū)動(dòng)定子電樞繞組，形成轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)快速轉(zhuǎn)動(dòng)［3］。從某種控制程度上講，此種控制也屬閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖1 所示。

1.1 系統(tǒng)總體組成及功能

BLDCM 包括直流永磁電機(jī)和電樞繞組驅(qū)動(dòng)控制，直流永磁電機(jī)定子繞組驅(qū)動(dòng)電源為直流，繞組分為A、B、C 三相、6 極，三相繞組互為180°，每相繞組根據(jù)纏繞方向設(shè)定一個(gè)磁極對(duì);轉(zhuǎn)子為四磁極的永久磁鐵，互成90°夾角。這樣可使改變定子繞組磁極屬性產(chǎn)生磁轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子快速轉(zhuǎn)動(dòng)，因此轉(zhuǎn)速與定子繞組磁極改變的速度與方向有關(guān)［4］。

電樞繞組驅(qū)動(dòng)部分為一塊PCB 控制板，主要是輸出PWM 脈沖波，采集轉(zhuǎn)子位置，選擇輸出程序，并輸出對(duì)應(yīng)的PWM 脈沖，驅(qū)動(dòng)定子繞組有序改變磁極屬性，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。另外還包括電源模塊、保護(hù)環(huán)節(jié)等。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 BLDCM 磁路氣隙磁場(chǎng)的計(jì)算模型建立

直流無(wú)刷電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)形式可有多種選擇，為了減小定子繞組間的互感影響，提高磁性利用率，增加定、轉(zhuǎn)子磁耦合程度，本控制系統(tǒng)采用定子6極轉(zhuǎn)子4 極的形式［5］，如圖2 所示。

圖2 電機(jī)結(jié)構(gòu)剖面圖

圖3 永磁體和氣隙結(jié)構(gòu)磁化模型示意圖

根據(jù)圖3 所示，電機(jī)轉(zhuǎn)子為表面式永磁形式，δ 表示氣隙長(zhǎng)度，kδ為氣隙長(zhǎng)度系數(shù)，電機(jī)的氣隙均勻則可得出其有效的氣隙長(zhǎng)度δ'為

設(shè)定電機(jī)鐵芯磁導(dǎo)率為無(wú)窮大，以永磁體和空氣氣隙為求解區(qū)域，得

式中，T0為剩余磁化強(qiáng)度，包括Tr徑向分量和Tθ切向分量?jī)刹糠?，?/p>

若設(shè)定標(biāo)量磁位為λ，這樣氣隙與永磁體中分別滿足

數(shù)學(xué)思想方法都是以一定的數(shù)學(xué)知識(shí)為基礎(chǔ),反過(guò)來(lái)又促進(jìn)數(shù)學(xué)知識(shí)的深化以及向能力的轉(zhuǎn)化．《普通高中數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》明確提出數(shù)學(xué)教學(xué)必須鼓勵(lì)學(xué)生積極參與數(shù)學(xué)活動(dòng),不僅是行為上的參與,更要有思維上的參與．筆者認(rèn)為,在高中數(shù)學(xué)的核心概念教學(xué)中,要引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)和領(lǐng)悟數(shù)學(xué)思想方法中蘊(yùn)含的數(shù)學(xué)的本質(zhì)內(nèi)涵和的重要規(guī)律．要通過(guò)各種方式激活思維,深化思維,不斷地提高數(shù)學(xué)思維能力．這樣才能逐步提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力,不斷提高學(xué)生的思維品質(zhì)和數(shù)學(xué)素養(yǎng)．

由此建立Tr徑向分量模型式(6)和Tθ切向分量模型式(7)為

1.3 系統(tǒng)控制原理分析

BLDCM 控制系統(tǒng)主要是根據(jù)轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置，PIC 單片機(jī)采集位置信號(hào)輸出不同的PWM 脈沖波形，觸發(fā)橋式逆變電路使定子繞組獲得不同的磁極屬性［6－8］。PIC 單片機(jī)通過(guò)對(duì)PWM 波形的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，如圖4 所示。

圖4 控制原理圖

PWM 脈沖和霍爾信號(hào)有直接關(guān)系，通過(guò)分析轉(zhuǎn)子位置可得出關(guān)系，如表1 所示。

表1 電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)霍爾位置與PWM 關(guān)系表

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以PIC18F4431 芯片作為主控制器，可通過(guò)RS－485 總線與上位機(jī)之間進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，通過(guò)輸出PWM 信號(hào)來(lái)控制三相電橋，從而調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)子的位置和電機(jī)的轉(zhuǎn)速則由霍爾元件檢測(cè)得到，同時(shí)利用在三相電橋低端處設(shè)置的測(cè)流電阻來(lái)測(cè)量定子的電流。主控制器在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中不斷地采集轉(zhuǎn)子的實(shí)時(shí)位置，根據(jù)位置的變化情況來(lái)發(fā)出控制命令，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。

2.1 硬件組成部分及其功能

本系統(tǒng)的控制器核心采用PIC18F4431 芯片，PIC18F4431 是由Microchp Technology 公司新推出的一款專門針對(duì)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制、采用納瓦技術(shù)具有高性能nVM 和AlD 功能的增強(qiáng)型閃存單片機(jī)。系統(tǒng)采用該8位單片機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于:采樣速度高達(dá)2×105次每秒的10 位A/D 轉(zhuǎn)換模塊、4 對(duì)具有互補(bǔ)輸出的14 位功率控制PWM 模塊、灌電流峰值可達(dá)25 mA、集成8×8 單周期硬件乘法器和WDT 看門狗。

通過(guò)分析比較各種電子開關(guān)器件的性能特點(diǎn)后，考慮到場(chǎng)效應(yīng)管具有理想的高頻特性且價(jià)格低廉，因此設(shè)計(jì)了由場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的三相電橋，來(lái)作為無(wú)刷直流電機(jī)的三相逆變驅(qū)動(dòng)電路。該電路不僅具有較好的隔離效果，且動(dòng)態(tài)特性也較為理想。

系統(tǒng)采用霍爾傳感器來(lái)檢測(cè)位置，由于霍爾傳感器開漏輸出的特性所以需接上拉電阻，在系統(tǒng)中為霍爾傳感器設(shè)置了低通RC 濾波器處理，目的是防止無(wú)刷電機(jī)中的強(qiáng)磁場(chǎng)和無(wú)刷電機(jī)控制器PWM 載波頻率的干擾。PIC18F4431 的3 個(gè)輸入引腳連接3 路的位置信號(hào)，可檢測(cè)到每個(gè)輸出信號(hào)的上升沿和下降沿。當(dāng)檢測(cè)到的電平發(fā)生變化時(shí)，即會(huì)使程序進(jìn)入中斷服務(wù)，從而在中斷服務(wù)中計(jì)算定子的轉(zhuǎn)速及實(shí)現(xiàn)對(duì)定子的換相。

2.2 硬件抗干擾設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)中存在著高頻變壓器、電動(dòng)機(jī)、開關(guān)器件等，會(huì)帶來(lái)強(qiáng)烈的電磁干擾源，所以硬件電路的抗干擾措施是必要的，本系統(tǒng)主要考慮以下幾個(gè)方面:(1)抑制干擾源。每個(gè)IC 電源和地兩端并聯(lián)一個(gè)100 nF 的電容;高頻電容的連線盡量靠近電源端并盡量粗短;PCB 上布線避免90°折線。(2)切斷干擾傳播途徑。主電源與低壓輔助電源相互隔離、不共地;給各路輸出的電源加濾波電路;注意晶振布線。(3)提高敏感器件的抗干擾性能。布線時(shí)應(yīng)盡量減少回路面積，芯片的IO 口不得懸空。

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件部分采用全數(shù)字雙閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能使無(wú)刷直流電機(jī)獲得較好的動(dòng)態(tài)性能。整個(gè)控制結(jié)構(gòu)引入了電流環(huán)和速度環(huán)兩部分。當(dāng)速度的反饋量與給定的速度參考量形成一個(gè)偏差，該偏差通過(guò)速度的調(diào)節(jié)會(huì)隨之產(chǎn)生一個(gè)電流參考量，該電流參考量與電流反饋量之間形成的偏差經(jīng)電流調(diào)節(jié)后，作為PWM占空比變化的控制量從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的速度調(diào)節(jié)。

3.1 PWM 換相控制

無(wú)刷直流電機(jī)的換相是通過(guò)內(nèi)部設(shè)置的霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)的。在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的整個(gè)過(guò)程中，每當(dāng)電機(jī)的定子轉(zhuǎn)過(guò)60°時(shí)，霍爾傳感器便會(huì)立即將檢測(cè)到的換相信號(hào)送至主控制器，使主控制器產(chǎn)生一個(gè)硬件中斷。主控制器會(huì)在中斷服務(wù)程序中輸出相應(yīng)的PWM 信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的換相。程序流程如圖5 所示。

圖5 PWM 換相控制子程序

3.2 電流環(huán)控制

控制系統(tǒng)中一般有外環(huán)速度環(huán)和內(nèi)環(huán)電流環(huán)，前者是依速度反饋定穩(wěn)速度，后者是據(jù)電流變化定穩(wěn)力矩。在本系統(tǒng)中，電流環(huán)的作用主要是調(diào)節(jié)電流，以確保電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。該電流環(huán)采用變速積分的PI 調(diào)節(jié)器，該子程序流程如圖6 所示。

圖6 電流環(huán)子程序流程圖

3.3 速度環(huán)控制

為了抑制速度波動(dòng)的程度，同時(shí)增加系統(tǒng)抗負(fù)載干擾的能力，系統(tǒng)采用速度環(huán)的控制方式。如給定轉(zhuǎn)速與實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速之間通過(guò)一個(gè)限幅PI 調(diào)節(jié)器，從而得出一個(gè)參考電流值。該子程序流程如圖7 所示。

圖7 速度環(huán)子程序流程圖

4 模擬運(yùn)行調(diào)試

通過(guò)在Matlab 環(huán)境中設(shè)定電機(jī)水泵運(yùn)行的各種參數(shù)進(jìn)行仿真，以80 W、65 W、55 W、45 W 的直流無(wú)刷電機(jī)水泵進(jìn)行運(yùn)行分析，得出下列特性曲線和啟動(dòng)速度響應(yīng)。

圖8 輸出特性

圖9 啟動(dòng)速度響應(yīng)圖

該直流無(wú)刷永磁電機(jī)控制系統(tǒng)，啟動(dòng)響應(yīng)速度快，電機(jī)的外輸出特性性能優(yōu)異，并能充分提高電機(jī)效率，同時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大、可靠性高、噪聲低。

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