無刷直流電機(jī)單片機(jī)控制調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

南通工貿(mào)技師學(xué)院 顧 劍

1.引言

傳統(tǒng)的無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)一般由分立的模擬器件構(gòu)成。模擬控制系統(tǒng)使用方便，價(jià)格便宜，應(yīng)用廣泛。但是，模擬器件也有本質(zhì)的缺陷：元器件特征參數(shù)受溫度影響；器件的老化：不便于維護(hù)、無法升級(jí)。隨著微處理器性能的不斷提高．以其為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)正逐漸應(yīng)用于無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制，并取得了非常好的效果。它終將取代模擬控制系統(tǒng)。AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單片機(jī)上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。本文設(shè)計(jì)了以AT89S52單片機(jī)和無刷直流電機(jī)專用控制芯片LM621為核心的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)無刷直流電機(jī)的調(diào)速控制。

2.單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)系統(tǒng)模塊包括單片機(jī)芯片、單片機(jī)I/O口線擴(kuò)展的獨(dú)立接口以及單片機(jī)的復(fù)位電路和晶振電路。

2.1 單片機(jī)的復(fù)位方式與復(fù)位電路

復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)，為擺脫困境，也需要按復(fù)位鍵以重新啟動(dòng)。AT89S52芯片的第9腳RESET是復(fù)位信號(hào)的輸入端，復(fù)位信號(hào)時(shí)高電平有效，有效時(shí)間應(yīng)該持續(xù)2個(gè)機(jī)器周期以上，若使用頻率為12MHz的晶振，則復(fù)位信號(hào)持續(xù)時(shí)間應(yīng)超過2us才能完成復(fù)位操作。

圖1 單片機(jī)時(shí)鐘電路內(nèi)部方

圖2 單片機(jī)時(shí)鐘電路外部方式

2.2 單片機(jī)的時(shí)鐘電路

時(shí)鐘是時(shí)序的基礎(chǔ)，AT89S52片內(nèi)由一個(gè)反相放大器構(gòu)成振蕩器，可以由它產(chǎn)生時(shí)鐘，時(shí)鐘可以由兩種方式產(chǎn)生，即內(nèi)部方式和外部方式，具體如圖1和圖2所示。

內(nèi)部方式：在XTAL1和XTAL2端外接石英晶體作定時(shí)元件，內(nèi)部反相放大器自激振蕩產(chǎn)生時(shí)鐘。時(shí)鐘發(fā)生器對(duì)振蕩脈沖2分頻，即若石英頻率f=12MHz，則時(shí)鐘頻率為6MHz。

外部方式：XTAL2可以不接，從XTAL1接入外部時(shí)鐘。

3.無刷直流電機(jī)控制專用集成電路設(shè)計(jì)

由于無刷直流電機(jī)需要不斷的換相，才能使電動(dòng)機(jī)持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)下去。如果通過單片機(jī)來換相，而且單片機(jī)還要監(jiān)視用戶界面，控制調(diào)速和轉(zhuǎn)向操作，這樣，單片機(jī)的負(fù)擔(dān)較重。但是使用專用集成電路可以大大減輕單片機(jī)工作，騰出時(shí)間進(jìn)行通訊、檢測(cè)、故障診斷等其他工作。

用于無刷直流電動(dòng)機(jī)的專用集成電路芯片有很多種，它們大多是針對(duì)有霍爾式位置傳感器的三相無刷直流電動(dòng)機(jī)而設(shè)計(jì)的。它們多數(shù)具有換相功能、PWM調(diào)速功能，轉(zhuǎn)向控制功能、制動(dòng)控制功能、電動(dòng)機(jī)相數(shù)和工作方式選擇功能、保護(hù)功能、（如限流保護(hù)、欠壓保護(hù)、過熱保護(hù)等）。有些芯片還集成了驅(qū)動(dòng)電路，可以方便地驅(qū)動(dòng)小功率無刷直流電動(dòng)機(jī)。本設(shè)計(jì)中使用的專用集成電路芯片是LM621。圖3所示是基于LM621芯片所設(shè)計(jì)的硬件電路圖。

圖3 LM621芯片集成電路

(1)LM621控制電路和驅(qū)動(dòng)電路

LM621外接電路如圖3所示，其中5、6、7引腳接傳感器。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路由6只開關(guān)速度快、損耗低、驅(qū)動(dòng)功率小的MOSFET管構(gòu)成，3只P溝道的MOSFET管V1,V3,V5構(gòu)成上橋臂，低電平導(dǎo)通，3只N溝道的MOSFET管V2,V4,V6構(gòu)成下橋臂，高電平導(dǎo)通。由于LM621芯片可以直接驅(qū)動(dòng)MOSFET管，因此，可將其16、15、14引腳接至上橋臂V1、V3、V5的柵極，13、12、12引腳接至下橋臂V4、V6、V2的柵極。上橋臂MOSFET管型號(hào)為IRF9640，下橋臂MOSFET管型號(hào)為IRF630。由于LM621內(nèi)部設(shè)計(jì)有自動(dòng)換相電路，MOSFET全橋的控制變得非常簡(jiǎn)單，可以完全由LM621自動(dòng)完成，因此在設(shè)計(jì)單片機(jī)軟件時(shí)無需考慮換相問題。

(2)限流電路

與普通的直流電動(dòng)機(jī)一樣，在無刷直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，由于轉(zhuǎn)速較低，轉(zhuǎn)子磁通切割定子繞組所產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)很小，可能產(chǎn)生過大的電流，因此，必須加限流電路，如圖6所示。主回路中流過無刷直流電動(dòng)機(jī)三相定子繞組的電流最終通過電阻R接地，因此電阻上的壓降正比于電動(dòng)機(jī)電流，當(dāng)此電阻上的壓降大于比較器LM324的正端給定電位U時(shí)，比較器輸出低電平，從而使與非門74LS00輸出高電平，于是LM621封鎖輸出，起到限流保護(hù)作用。當(dāng)壓降小于U時(shí)，限流電路不起任何作用。

4.單片機(jī)與LM621芯片控制集成電路的連接

電路連接說明：AT89S52單片機(jī)將PWM功能定向到P1.0引腳，通過與非門和LM621對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。另外，通過P1.1引腳來控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向。由于大部分控制工作交給了LM621完成，單片機(jī)只在調(diào)速和改變轉(zhuǎn)向時(shí)才進(jìn)行干預(yù)，所以單片機(jī)可以有十分從足的時(shí)間做其他工作。

5.電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.1 電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制

本設(shè)計(jì)是基于無刷直流電機(jī)專用控制芯片LM621設(shè)計(jì)的，LM621的2號(hào)引腳是轉(zhuǎn)向控制端，由施加的電平?jīng)Q定，因此設(shè)計(jì)思路是將單片機(jī)的P1.0口與LM621的2號(hào)引腳連接起來，然后編寫程序，通過對(duì)P1.0口施加高低電平，從而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)向的目的。

5.2 電機(jī)的調(diào)速設(shè)計(jì)

直流電機(jī)由于具有速度控制容易，啟動(dòng)、制動(dòng)性能良好，平滑調(diào)速范圍寬等特點(diǎn)，在冶金、機(jī)械制造、輕工等工業(yè)部門中得到廣泛應(yīng)用。直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速有改變電樞電壓U調(diào)速、改變電樞回路串接附加電阻R調(diào)速及改變主磁通Φ調(diào)速等三種方法。改變電樞回路串接附加電阻調(diào)速方法，調(diào)速電阻將消耗大量的電能，使電動(dòng)機(jī)的效率下降，而且由于調(diào)速電阻不能連續(xù)變化，使得調(diào)速不平滑，難以實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。改變主磁通Φ調(diào)速方法，低速時(shí)受磁極飽和的限制，高速時(shí)受換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及其換向火花的限制，并且勵(lì)磁線圈電感較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。所以這兩種調(diào)速方法用得較少。目前，大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合都使用改變電樞電壓U調(diào)速，隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)展了許多新的電樞電壓控制方法，其中PWM(脈寬調(diào)制)是常用的一種調(diào)速方法。因此，本文提出利用單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號(hào)的軟件實(shí)現(xiàn)方法。

LM621可以直接與外部PWM信號(hào)連接，因此可以直接通過編程生成所需要的PWM信號(hào)，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

5.2.1 PWM基本原理

PWM基本原理是通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率，從而改變電機(jī)電樞的電壓，進(jìn)而達(dá)到控制要求的一種調(diào)速方法。在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，按照一定的頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開”的時(shí)間，通過改變電樞上平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。PWM調(diào)制的原理如圖4所示。

圖4 PWM調(diào)制原理與輸入輸出波形圖

通過PWM來控制電機(jī)電壓時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電樞繞組兩端的平均電壓Uo為：

Uo=(t1Us+0)/(t1+t2)=t1Us/T=αUs

式中α為占空比，α＝t1/T。t1開關(guān)器件導(dǎo)通的時(shí)間，T為脈寬調(diào)制PWM的周期。占空比α表示了在一個(gè)周期T中，開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間與周期的比值即t1/T。α的變化范圍為0≤α≤1。當(dāng)電源電壓US不變的情況下，電樞端電壓oU的平均值取決于占空比α的大小，改變?chǔ)恋闹稻涂梢愿淖兌穗妷旱钠骄怠?/p>

5.2.2 PWM信號(hào)軟件實(shí)現(xiàn)方法

占空比是直流電機(jī)PWM調(diào)速的關(guān)鍵，對(duì)如何產(chǎn)生PWM信號(hào)有效控制開關(guān)管的導(dǎo)通與截止具有重要的意義。最近幾年來，隨著單片機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使直流電機(jī)PWM調(diào)速裝置向集成化、小型化和智能化方向發(fā)展。目前利用單片機(jī)進(jìn)行PWM控制，PWM信號(hào)的產(chǎn)生有兩種方法：一種是軟件的方法；另一種是硬件的方法。硬件方法的實(shí)現(xiàn)已有很多文章介紹，這里不做敘述，本文主要介紹通過軟件實(shí)現(xiàn)的方法。

軟件的基本思想：?jiǎn)纹瑱C(jī)的定時(shí)器工作方式選擇方式3，每200us產(chǎn)生一次溢出，溢出后，調(diào)用中斷子程序，判斷所設(shè)定的COUNTER是否小于等于設(shè)定的PWM值，如果小于等于PWM的值，P1.0口輸出高電平，否則輸出低電平，從而產(chǎn)生高低電平的脈沖，改變PWM的值，便可以改變脈沖的寬度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

6.結(jié)論

本設(shè)計(jì)在學(xué)習(xí)了無刷直流電機(jī)控制領(lǐng)域相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了以AT89S52單片，無刷直流電機(jī)控制專用芯片LM621為核心的無刷直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的功率開關(guān)電路以IRF630和IRF9640構(gòu)成的，電機(jī)使用的是三相無刷直流電機(jī)，其型號(hào)為42BLF01。經(jīng)過多次調(diào)試，系統(tǒng)可以良好運(yùn)行，但仍然存在一些不足之處：(1)硬件電路中的功率開關(guān)電路會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，對(duì)硬件電路有很大的影響。(2)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，有一點(diǎn)失步。(3)本設(shè)計(jì)中軟件部分還不夠完美，以上不足之處由于時(shí)間的原因，未能徹底解決，希望以后有時(shí)間能將這些不足之處一一解決，以便使本控制系統(tǒng)的運(yùn)行更加穩(wěn)定。

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