永磁無(wú)刷直流電機(jī)數(shù)字調(diào)速器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

榮 軍, 李一鳴, 萬(wàn)軍華, 萬(wàn) 力, 王 峰

(1. 湖南理工學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院, 湖南 岳陽(yáng) 414006; 2. 湖南理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院, 湖南 岳陽(yáng) 414006; 3. 工程車輛輕量化與可靠性技術(shù)湖南省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 長(zhǎng)沙 410014 )

永磁無(wú)刷直流電機(jī)數(shù)字調(diào)速器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

榮 軍1,3, 李一鳴2,3, 萬(wàn)軍華1,3, 萬(wàn) 力1,3, 王 峰1,3

(1. 湖南理工學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院, 湖南 岳陽(yáng) 414006; 2. 湖南理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院, 湖南 岳陽(yáng) 414006; 3. 工程車輛輕量化與可靠性技術(shù)湖南省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 長(zhǎng)沙 410014 )

設(shè)計(jì)了一個(gè)以C8051F330單片機(jī)為控制核心的永磁無(wú)刷直流電機(jī)(無(wú)刷馬達(dá))電子調(diào)速器, 實(shí)現(xiàn)了將PPM信號(hào)轉(zhuǎn)化為PWM信號(hào)來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)控電機(jī)轉(zhuǎn)速的電子調(diào)速系統(tǒng). 系統(tǒng)硬件采用模塊化設(shè)計(jì), 主要包括單片機(jī)控制模塊、電源供電模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以及零點(diǎn)檢測(cè)模塊等部分. 在完成整個(gè)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)后, 制作出實(shí)物并進(jìn)行了測(cè)試, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明數(shù)字控制電子調(diào)速系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單, 調(diào)速穩(wěn)定以及性價(jià)比高的特點(diǎn).

永磁無(wú)刷直流電機(jī); 數(shù)字控制; 電子調(diào)速器; 脈沖寬調(diào)制

永磁無(wú)刷直流電機(jī)也稱永磁馬達(dá), 由于其具有調(diào)速性能好、運(yùn)行效率高以及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn), 在汽車行業(yè)比如汽車風(fēng)扇、汽車車身控制以及電動(dòng)汽車等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用[1,2]. 永磁無(wú)刷直流電機(jī)的控制方式有三種: 1)專用模擬控制芯片; 2)單片機(jī); 3)數(shù)字信號(hào)處理器. 利用專用模擬控制芯片的電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)單, 缺點(diǎn)是使用功能受到限制, 不能擴(kuò)展. 數(shù)字信號(hào)處理器設(shè)計(jì)的電機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是外圍電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、運(yùn)算速度快, 缺點(diǎn)是控制算法復(fù)雜, 生產(chǎn)成本高. 而基于單片機(jī)的電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)容易, 擴(kuò)展性好, 性價(jià)比高, 因此在永磁無(wú)刷直流電機(jī)控制領(lǐng)域有很高的應(yīng)用價(jià)值[3～5]. 鑒于此, 本文設(shè)計(jì)基于單片機(jī)C8051F330的簡(jiǎn)易數(shù)字電機(jī)控制系統(tǒng), 完成了其硬件電路和軟件程序的設(shè)計(jì), 并給出了實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該電機(jī)控制系統(tǒng)具有調(diào)速性能穩(wěn)定, 設(shè)計(jì)方便以及生產(chǎn)成本低廉的特點(diǎn).

1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框圖

數(shù)字控制無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)總體框架如圖1所示. 整個(gè)設(shè)計(jì)主要包括電機(jī)電子調(diào)速控制電路, 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路, 零點(diǎn)檢測(cè)電路以及電源供電電路等電路設(shè)計(jì).

圖1 系統(tǒng)總體框圖

1.2 基于C8051F330控制電路的設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)C8051F330電機(jī)控制電路原理圖如圖2所示. 圖中的C8051F330芯片每個(gè)引腳都有特定的第二引腳功能, 根據(jù)第二功能的特性, 能夠規(guī)劃每個(gè)引腳的管理.1.3 電源電路設(shè)計(jì)

圖2 C8051F330控制電路原理圖

外部電源支持2～4節(jié)鋰電池(6V～14.8V)輸入,它主要是用來(lái)提供電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓,控制器的供電電壓(+3.3V)以及BEC接口處的+5V電壓. 因?yàn)榉€(wěn)壓的幅度差比較大, 所以穩(wěn)壓的降壓特性需要很好, 故選取的芯片在這方面都具有特殊的性能. 根據(jù)以上要求, 本文分別采用了LM2576-5.0、LY6206-3.3和 SX1308來(lái)設(shè)計(jì)開關(guān)穩(wěn)壓電源、線性穩(wěn)壓電源以及驅(qū)動(dòng)MOS管所需的升壓電源[6].

(1) 開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)

由于該系統(tǒng)對(duì)電源功率和供電電流有特殊要求, 所以本設(shè)計(jì)特意選擇了一款穩(wěn)5V的開關(guān)型降壓芯片LM2576-5.0, 其設(shè)計(jì)電路如圖3所示. LM2576系列IC是美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的3A電流輸出的降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片, 它內(nèi)部具有基準(zhǔn)穩(wěn)壓器(1.23V)和固定頻率振蕩器(52kHz), 并且具有完善的保護(hù)電路,包含熱關(guān)斷及電流限制電路等. 使用該器件時(shí)只需要極少的外圍器件, 即可構(gòu)成高效的穩(wěn)壓電路.

圖3 開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)原理圖

(2) 線性電源電路設(shè)計(jì)

因?yàn)橹骺刂破鰿8051F330單片機(jī)的正常運(yùn)行電壓范圍是2.7～3.6V, 所以需要單獨(dú)為該控制器提供一個(gè)穩(wěn)定的3.3V電源. 為此本文選擇了LY6206-3.3V的線性穩(wěn)壓IC, 得到一個(gè)3.3V的穩(wěn)壓源. 基于LY6206的線性電源電路原理圖如圖4所示.

圖4 線性電源電路設(shè)計(jì)原理圖

(3) 升壓電路設(shè)計(jì)

因?yàn)樵撾娮诱{(diào)速器設(shè)計(jì)是由MOS場(chǎng)效應(yīng)管做驅(qū)動(dòng)電路的, 而設(shè)計(jì)中所選用的該款MOS管AON6512所需的驅(qū)動(dòng)電壓不能低于10V, 所以本文中特意選擇了升壓芯片SX1308, 用來(lái)做MOS管的驅(qū)動(dòng)源, 該款I(lǐng)C的升壓電路圖如圖5所示.

1.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

由于電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候內(nèi)阻非常小, 所以會(huì)產(chǎn)生很大的電流. 為了提高調(diào)速器的驅(qū)動(dòng)能力, 本文利用6個(gè)N型MOS功率場(chǎng)效應(yīng)管AON6512驅(qū)動(dòng)一項(xiàng), 即每三個(gè)MOS管并聯(lián)起來(lái)作為一個(gè)半橋, 因此三項(xiàng)共需要18個(gè)MOS管, 其部分電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖6所示.

1.5 過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)即反電動(dòng)勢(shì)的檢測(cè). 反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)需要不停的檢測(cè)比較U相、V相以及W相端與中點(diǎn)的電壓, 以獲取某一個(gè)相的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)事件所發(fā)生的時(shí)間. 一般的無(wú)刷電機(jī)都是利用三個(gè)比較器不停的比較檢測(cè)過(guò)零事件. 本文的設(shè)計(jì)并不需要使用三個(gè)比較器, 原因在于三個(gè)相位每次的過(guò)零事件的時(shí)間是不相同的, 完全可以利用一個(gè)比較器不停地切換到下次要發(fā)生過(guò)零事件的相位上. 本設(shè)計(jì)中就是利用C8051F330自帶的比較器, 通過(guò)相位的不停切換來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)零事件的檢測(cè). 檢測(cè)電路如圖7所示.

圖5 升壓電路設(shè)計(jì)原理圖

圖6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖

2 軟件程序設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)主要包括初始化程序、主程序和中斷服務(wù)子程序. 中斷程序由ADC 中斷、捕獲單元中斷、定時(shí)器溢出中斷、串行口中斷、功率保護(hù)中斷及速度調(diào)節(jié)子程序組成, 程序流程圖如圖8所示[7,8].

圖7 過(guò)零檢測(cè)電路原理圖

圖8 程序主流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在完成硬件電路設(shè)計(jì)以及軟件程序后, 制作出實(shí)物并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9～11所示. 其中圖9為示波器接收到的PPM輸出信號(hào), 包括一個(gè)低電平信號(hào)和一個(gè)高電平信號(hào), 由低電平信號(hào)和高電平信號(hào)構(gòu)成一個(gè)一個(gè)運(yùn)算周期, 從圖中可以看出高電平信號(hào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于低電平信號(hào). 圖9中形成的PPM信號(hào)被送入單片機(jī)C8051F330進(jìn)行分析和運(yùn)算. 圖10為PWM輸出控制信號(hào), 它是由單片機(jī)C8051F330將PPM信號(hào)進(jìn)行分析解碼, 然后編程輸出的PWM信號(hào), 控制系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)PWM控制信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)以及調(diào)速. 圖11為過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)的電壓測(cè)試波形, 從圖11中可以明顯看出過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路能測(cè)試出其反電動(dòng)勢(shì)為零的準(zhǔn)確時(shí)間點(diǎn), 從而為電機(jī)的精確換相創(chuàng)造條件.

圖9 PPM輸出信號(hào)波形

圖10 PWM輸出信號(hào)波形

圖11 過(guò)零點(diǎn)電壓檢測(cè)波形

4 結(jié)論

本文基于單片機(jī)C8051F330設(shè)計(jì)了一個(gè)永磁無(wú)刷直流電機(jī)數(shù)字控制電子調(diào)速器. 整個(gè)系統(tǒng)包括電源管理, 信號(hào)解析, 電機(jī)調(diào)速, 保護(hù)設(shè)置, 編程模式等幾大部分. 電源管理部分因?yàn)楦鱾€(gè)部分對(duì)電源的需求不同, 分別采用了線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源, 用來(lái)提高電源的效率; 信號(hào)解析是對(duì)輸入的PPM信號(hào)進(jìn)行分析解碼, 將分析結(jié)果用來(lái)做無(wú)刷直流電機(jī)電子調(diào)速器的控制信號(hào); 電機(jī)調(diào)速主要是利用控制器C8051F330產(chǎn)生不同占空比的PWM信號(hào), 并用該P(yáng)WM信號(hào)來(lái)控制半橋驅(qū)動(dòng)芯片IR2103S, 使其起到開關(guān)作用, 再通過(guò)該快關(guān)信號(hào)來(lái)控制N溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管AON6512的導(dǎo)通與截止, 從而達(dá)到對(duì)無(wú)刷電機(jī)進(jìn)行調(diào)速的效果. 保護(hù)設(shè)置主要是對(duì)系統(tǒng)在瞬間大提速時(shí)產(chǎn)生大電流、高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)外界操作不當(dāng)以及控制信號(hào)丟失時(shí)防止系統(tǒng)被燒壞和人員遭到傷害, 系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)并做出相應(yīng)的處理和報(bào)警; 編程模式主要是用來(lái)使系統(tǒng)能夠自動(dòng)識(shí)別不同的無(wú)刷電機(jī), 并自動(dòng)設(shè)置相關(guān)的參數(shù), 以便能達(dá)到更好的效益.

[1] 榮 軍, 楊 航, 李 獻(xiàn), 等. 無(wú)刷直流電機(jī)在Matlab中的建模與仿真研究[J]. 湖南理工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2012, 25(2): 55～59

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Design and Implementation of Digital Speed Regulator for Permanent Magnet Brushless DC Motor

RONG Jun1,3, LI Yi-ming2,3, WAN Jun-hua1,3, WAN Li1,3, WANG Feng1,3
(1.College of Information and Communication Engineering, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, China; 2. College of Computer Science, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, China; 3. Key Laboratory of Lightweight and Reliability Technology for Engineering Vehicle, College of Hunan Province, Changsha 410014, China)

The electronic speed regulator based on SCM of C8051F330 is designed for permanent magnet brushless DC motor (brushless motor), and can realize the electronic speed control system that the PWM signal being translated form the input signal of PPM real-time controls the motor speed. The hardware of the system adopts the modular design, which mainly includes the SCM control module, the power supply module, the motor driver module and the zero detection module. After the design of the hardware and software of the whole system, the material is made and tested, and the experimental results showed that the digital controlling system of the electronic speed system has the characteristics of simple design, stable speed regulation and high performance ratio.

permanent magnet brushless DC motor(BLDCM); digital control; electronic speed regulator; pulse width modulation

TM361

: A

: 1672-5298(2015)04-0037-04

2015-08-29

工程車輛輕量化與可靠性技術(shù)湖南省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金 (2014kfjj01); 湖南省教育廳一般項(xiàng)目(15C0620, 15C0622)

榮 軍(1978? ), 男, 湖南岳陽(yáng)人, 碩士, 湖南理工學(xué)院信息與通信工程學(xué)院講師. 主要研究方向: 開關(guān)電源及電機(jī)控制技術(shù)