基于PIC16F877A的永磁無刷直流電機的控制器設(shè)計

王宇鹍，丁海波，楊華松，徐晨路

（1.中國煤炭科工集團沈陽研究院 遼寧 撫順 1131222；2.遼寧省醫(yī)療器械檢驗所 遼寧 沈陽 110179）

基于PIC16F877A的永磁無刷直流電機的控制器設(shè)計

王宇鹍1，丁海波2，楊華松1，徐晨路1

（1.中國煤炭科工集團沈陽研究院 遼寧 撫順 1131222；2.遼寧省醫(yī)療器械檢驗所 遼寧 沈陽 110179）

隨著科技的發(fā)展，對無刷直流電動機的性能提出更高的要求。本文在研究無刷直流電動機數(shù)學(xué)模型、導(dǎo)通方式的基礎(chǔ)上，以單片機PIC16F877A為核心設(shè)計控制系統(tǒng)硬件電路和軟件程序，硬件電路包括電機轉(zhuǎn)子位置檢測電路、PIC16F877A最小系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子位置檢測電路、IGBT驅(qū)動保護電路和系統(tǒng)信息反饋電路，并利用MPLAB軟件編譯平臺編寫控制系統(tǒng)軟件程序。通過對實驗結(jié)果的分析：可知本文所設(shè)計的控制系統(tǒng)性能可靠、結(jié)構(gòu)簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)對無刷直流電機的可靠控制。

PIC,永磁無刷；電機；控制系統(tǒng)

電動機是將電能轉(zhuǎn)換為機械能的常用裝置，按照工作原理將電動機分為直流電動機和交流電動機。直流電動機具有平滑穩(wěn)定的調(diào)速特性和優(yōu)良的啟動性能，所以在需要頻繁啟動和速度變化要求較高的場合如機床、風(fēng)力發(fā)電機、軌道列車、和軋鋼場等設(shè)備上有廣泛應(yīng)用。但傳統(tǒng)直流電機轉(zhuǎn)子換相過程依靠電刷和換向器直接的配合，換相過程會產(chǎn)生火花和電磁干擾，對周圍電氣設(shè)備的電磁兼容造成很大影響，同時，電刷屬于易耗器件，需要定期檢查和更換，消耗大量人力資源和原材料的浪費。為了解決上述問題，很多專家、學(xué)者對無刷直流電機開展大量研究工作。

無刷直流電動機作為機電一體化的典型產(chǎn)品，具有傳統(tǒng)直流電動機的調(diào)速特性好、運行穩(wěn)定，又具有交流電動機結(jié)構(gòu)簡單、便于維護的優(yōu)點，所以在部分領(lǐng)域得到初步應(yīng)用。稀土材料的發(fā)展使得無刷直流電動機得到進一步的發(fā)展，但采用稀土材料制成的無刷直流電動機成本過高，僅應(yīng)用在航空、航天和軍用等高科技領(lǐng)域。20世紀80年代釹鐵硼永磁材料出現(xiàn)后，大大降低了無刷直流電動機的成本，為無刷直流電動機其在民用領(lǐng)域的應(yīng)用提供可能，從幾十瓦至上百瓦的無刷直流電動機在汽車、機床、儀器儀表和石化化工等等民用領(lǐng)域初顯身手。

隨之電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的快速發(fā)展，使得電動機技術(shù)獲得跨越性的變化，電機制作工藝和控制理論不斷成熟，關(guān)于無刷直流電動機控制技術(shù)研究是當今高校和科研單位研究的熱點。本文在對無刷直流電機數(shù)學(xué)模型、運行過程和主回路導(dǎo)通方式研究的基礎(chǔ)上，基于PIC16F877A設(shè)計了無刷直流電機控制系統(tǒng)，主要包括PIC16F877A最小系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子位置檢測電路、IGBT驅(qū)動保護電路和系統(tǒng)信息反饋電路，并利用MPLAB軟件編譯平臺編寫控制系統(tǒng)軟件程序。

1 無刷直流電動機

1.1 永磁無刷直流電機

永磁無刷直流電動機利用電與磁之間的關(guān)系，在電動機轉(zhuǎn)子上裝有永磁材料，定子上纏繞三相線圈，線圈通電時產(chǎn)生電磁場，電磁場和永磁體磁場之間相互作用使電機旋轉(zhuǎn)，隨之轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)三相繞組線圈換相，為電動機旋轉(zhuǎn)提供持續(xù)轉(zhuǎn)矩。永磁體采取徑向充磁的瓦形稀土永磁體。電動機定子三相繞組采用星型連接方式，處理器檢測轉(zhuǎn)子的位置，定子根據(jù)微處理器發(fā)送的信號進行換相，保證電機持續(xù)旋轉(zhuǎn)[1-2]。

1.2 無刷直流電動機數(shù)學(xué)模型

分析時對理想的永磁無刷直流電動機作如下假設(shè)：

1） 電動機定子三相繞相之間完全對稱，氣隙磁場為方波，定子電流和轉(zhuǎn)子磁場分布的磁場為對稱方波。

2） 忽略電動機齒槽、換相過程和電樞反應(yīng)等造成的影響。

3） 電樞繞組在定子的內(nèi)表面上的分布方式為連續(xù)均勻的。

4）電動機定子電流為三相對稱1 200（電角度）的矩形波，定子繞組為600相寬的集中整矩繞組。

為了減小轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生紋波，永磁無刷直流電動機的氣隙磁密波形應(yīng)該和供電電流的波形相同。在理想狀態(tài)下，矩形波定子電流和相同波形的氣隙磁通相互作用，兩者相結(jié)合產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。

1.2.1 電壓方程

根據(jù)電動機電壓平衡方程

式中,U表示三相繞組中的電壓，r表示每相繞組的電阻值，i表示運行時每相繞組中的電流，L表示每相運行電感，E表示每相反電動勢。有公式（1）可得運行時的無刷直流電動機電壓方程:

其中，ua、ub、uc為外加的A相、B相、C相相電壓，ia、 ib、 ic是A相、B相、C相相電流，L為每相電感的自感，Mab、Mbc、Mca為每兩相間的互感，ea、eb、ec為A相、B相、C相每相的反電勢。ra、rb、rc為 A相、B相、C相相電阻。

無刷直流電機三相六狀態(tài)每次導(dǎo)通兩相，且為繞組Y形連接方式，另外

其中，ia、ib、ic是A相、B相、C相相電流。

1.2.2 轉(zhuǎn)矩方程

在電磁轉(zhuǎn)矩上無刷直流電機和普通直流電機相似，電磁轉(zhuǎn)矩和磁通、電流幅值成正比變化，即:

其中，Te為電動機的額定轉(zhuǎn)矩，Pn為電動機的極對數(shù)；ωr為電動機的角速度；ia、ib、ic是A相、B相、C相相電流；ea、eb、ec為A相、B相、C相每相的反電勢。無刷直流電動機（忽略轉(zhuǎn)動時的粘滯系數(shù)）的方程可寫為：

其中，Te為額定轉(zhuǎn)矩，TL為負載轉(zhuǎn)矩，J為電機轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動慣量的總和。ω為機械角速度。

1.3 主回路導(dǎo)通方式

三相半控和三相全控是無刷直流電機控制系統(tǒng)主回路控制方式的基本類型[3]，無刷直流電機示意圖如圖1所示。三相半控電路采用3個功率器件控制繞組的導(dǎo)通方式，每個繞組由一個功率開關(guān)控制，一個周期只有1/3時間導(dǎo)通，另外2/3時間不通電，繞組沒有得到充分的利用。三相全控電路采用6個功率器件控制繞組的導(dǎo)通方式，同一時刻至少有兩相繞組導(dǎo)通，繞組得到充分利用，所以我們采用三相全控式電路。

圖1 無刷直流電機示意圖Fig. 1 The diagram of brushless DC motor

在三相無刷直流電機全控式控制系統(tǒng)中，繞組導(dǎo)通方式常見的有兩兩導(dǎo)通方式和三三導(dǎo)通方式。采用在兩兩導(dǎo)通方式時，每個時刻都有不同橋臂的兩個功率器件導(dǎo)通，定義流入繞組的電流產(chǎn)生的力矩方向為正Ta，則流出（另一個繞組）電流產(chǎn)生的力矩方向為負Ta，則它們的合成力矩為3 Ta，如圖2(a)所示。

采用在三三導(dǎo)通方式時，每個時刻都有不同橋臂的3個功率器件導(dǎo)通，相鄰兩次換相的電角度為600，功率器件導(dǎo)通的電角度為1 800。如果認定流入繞組的電流產(chǎn)生的力矩方向為正Ta，則流出（另一個繞組）電流產(chǎn)生的力矩方向為負Ta，則它們的合成力矩為1.5 Ta，如圖2(b)所示。

圖2 不同導(dǎo)通方式的合成力矩Fig. 2 Synthesis torque of different conduction mode

從上面的分析可以看出，對于三相Y接高壓斷路器無刷直流電機，為了獲得較大的輸出力矩，主回路通電方式采用兩兩導(dǎo)通方式更適合[4]。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 硬件的結(jié)構(gòu)

基于PIC16F877A的無刷直流電機控制系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示，控制系統(tǒng)分為單片機最小系統(tǒng)、控制電路和控制對象三部分，其中單片機最小系統(tǒng)是指以PIC16F877A為核心包括電源模塊、晶振復(fù)位模塊和外部擴展模塊，控制電路包括光耦隔離電路、驅(qū)動逆變電路、電流檢測電路、轉(zhuǎn)子位置檢測和驅(qū)動保護電路，控制對象為永磁無刷直流電動機。PIC單片機最小系統(tǒng)為單片機提供工作所需的電源、時鐘信號、復(fù)位信號、和存儲器擴展?？刂齐娐房刂齐妱訖C繞組在合適的位置換相、驅(qū)動電動機持續(xù)運行，同時檢測系統(tǒng)參數(shù)，保證系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運行[5]。

圖3 控制系統(tǒng)的硬件框圖Fig. 3 Hardware diagram of control system

2.2 轉(zhuǎn)子位置檢測電路設(shè)計

霍爾傳感器的工作原理是半導(dǎo)體器件的霍爾效應(yīng)，是無刷直流電機換相控制中應(yīng)用較多的位置傳感器。根據(jù)霍爾元件的特性不同分為線性霍爾元件和開關(guān)型霍爾元件，線性霍爾元件輸出時一個和磁場成正比的連續(xù)信號，常用于連續(xù)量如位移等的測量，開關(guān)型霍爾元件的輸出時一個根據(jù)磁場強弱而變化的高低電平信號，常用作無刷直流電機的位置傳感器。根據(jù)控制系統(tǒng)實時性要求及安裝方便，本控制器采用鎖存型霍爾元件作為電機轉(zhuǎn)子位置傳感器。

根據(jù)電機內(nèi)部電磁場分布，將3個霍爾傳感器安裝在霍爾盤上，相鄰兩個之間的夾角為60°。由于在電機內(nèi)部不易安裝霍爾盤及拆卸不方便，故將其安裝在電機的外部，制作一個圓形磁鋼模擬電機內(nèi)部電磁場分布，霍爾元件的空間分布和輸出特性如圖4所示[6]。當控制系統(tǒng)工作時，霍爾元件根據(jù)磁鋼的位置輸出高低電平，主控制芯片根據(jù)高低電平信號判斷電機轉(zhuǎn)子位置，調(diào)用內(nèi)部程序輸出正確的驅(qū)動信號，使電機開始動作。隨之電機轉(zhuǎn)角的變化，霍爾元件的輸出也發(fā)生變化，主控芯片根據(jù)霍爾元件的高低電平來確定IGBT的導(dǎo)通順序，使電機持續(xù)旋轉(zhuǎn)。

圖4 霍爾元件空間分布和輸出特性Fig. 4 Space division and output curve of hall element

2.3 IGBT驅(qū)動保護電路設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)需求，設(shè)計IGBT隔離驅(qū)動電路是功率驅(qū)動電路的關(guān)鍵。VLA517-01R是替代EXB841的快速型IGBT集成驅(qū)動芯片,整個電路延遲時間不超過1μs,最高工作頻率達40～50 kHz,只需外部一個 20 V電源供電,內(nèi)部可產(chǎn)生一個正驅(qū)動電壓及反向截止電壓,模塊內(nèi)部含有過流保護和故障信號輸出電路。EXB841輸入端15和14管腳有10 mA 的電流流過時,內(nèi)部光耦導(dǎo)通,3腳輸出驅(qū)動電壓使IGBT導(dǎo)通，驅(qū)動信號截止，光耦截止，3腳輸出反向電壓使IGBT截止。本文所設(shè)計的IGBT驅(qū)動保護電路如圖5所示。

圖5 IGBT驅(qū)動保護電路Fig. 5 Circuit of IGBT drive and protective

3 軟件設(shè)計

PIC單片機仿真器提供存儲器和時鐘，并能運行代碼，即使沒有與目標應(yīng)用板相連。在開發(fā)和調(diào)試期間， ICE提供了最強大的能力來發(fā)揮系統(tǒng)的所有功能，這樣允許用戶對應(yīng)用方便地進行測試、調(diào)試和再編程?？刂破饔布娐吩O(shè)計完成以后，接下來是軟件編制工作。在軟件設(shè)計過程中，一般首先根據(jù)實際情況理清程序的運行過程，在結(jié)合硬件電路的特點設(shè)計出軟件的流程圖。在具體程序設(shè)計中，一般先把要用到的中斷進行定義和把變量定義到RAM中等，然后定義各個子函數(shù)，再編寫各個子函數(shù)，最后進行調(diào)試。

圖6 主程序流程圖Fig. 6 Main program flow diagram

軟件程序是系統(tǒng)的靈魂，本文所設(shè)計的控制系統(tǒng)軟件程序由系統(tǒng)主程序、中斷服務(wù)子程序、速度檢測子程序和故障保護子程序組成。主程序中設(shè)定了系統(tǒng)的中斷信號由PIC單片機的事件管理器T2定時器的周期中斷來觸發(fā)，當T2周期匹配時，調(diào)用中斷服務(wù)子程序，通過速度檢測子程序?qū)z測量作為反饋值與設(shè)定的速度值比較，調(diào)節(jié)PWM的占空比，實現(xiàn)電機速度的調(diào)節(jié)。故障保護子程序檢測系統(tǒng)的電壓、電流和溫度，與給定安全值進行比較，當發(fā)成故障時，發(fā)出錯誤警報并封鎖控制信號輸出，實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的保護主程序、中斷服務(wù)子程序和故障保護子程序如圖6～8所示。

圖7 中斷服務(wù)子程序Fig. 7 Subprogram of interrupt service

圖8 故障保護程序Fig. 8 Program of fault protection

4 控制系統(tǒng)與電機試驗

將設(shè)計好的系統(tǒng)與電機聯(lián)機實驗，電機的額定功率為900 W，額定電壓為150 V，額定負載為4.31 N·m。通過示波器TDS1012觀察發(fā)現(xiàn)實際運行狀態(tài)下的霍爾反饋信號和理論分析結(jié)果完全一致，控制器的三路霍爾位置信號為空間上相差1200電角度的矩形波。實驗過程分別測量負載轉(zhuǎn)矩為0 N·m、2.2 N·m和4.4 N·m時電機電流，如圖9所示。從圖可知：電機的電流曲線近似于正玄波，本文所設(shè)計的控制系統(tǒng)能夠在不同負載情況下驅(qū)動無刷直流電動機動作，系統(tǒng)可靠性強、穩(wěn)定性能好。

圖9 相電流波形Fig. 9 Wave form of phase current

5 結(jié) 論

文中以PIC16F877A單片機為核心設(shè)計了無刷直流電動機控制系統(tǒng)，包括PIC16F877A最小系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子位置檢測電路、IGBT驅(qū)動保護電路和系統(tǒng)信息反饋電路等，并編寫控制系統(tǒng)軟件流程。通過試驗驗證本文所設(shè)計的控制系統(tǒng)能夠可靠驅(qū)動無刷直流電機可靠運行。

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Base on PIC16F877A design control system for permanent magnet brushless DC motor

WANG Yu-kun1, DING Hai-bo2, YANG Hua-song1, XU Chen-lu1
（ 1. Shenyang Research Institute of Coal Technology Engineering Group Corp, Fushun 113122, China; 2. Liaoning Medical Device Test Institute, Shenyang 110179, China）

With the development of science and technology, a higher demand of performance of brushless DC motor is raised. Based on the research of mathematical model and conduction mode of brushless DC motor, we designed hardware circuit and software program of control system using PIC16F877A as core, including, PIC16F877A smallest system,position detection circuit of rotor, the IGBT driver protection circuit and system feedback circuit, and the MPLAB software compiler platform was also used to write the control system. Through the analysis of the experimental results:we can see that the designed control system in this paper possesses both reliable properties and simple structures, which achieved reliable control of brushless DC motor.

PIC; permanent magnet brushless; motor; control system

TN06

A

1674-6236(2014)03-0146-04

2013–06–19 稿件編號：201306117

王宇鹍(1985—)，男，內(nèi)蒙古赤峰人，助理工程師。研究方向：煤礦電器設(shè)備檢測與研究。