基于MCU的無刷直流電動機智能控制裝置

徐遠哲　劉勝長

摘 要：無刷直流電動機作為執(zhí)行元件，精度高、運行速度快而且效率高，應(yīng)用場合很多。本裝置以MCU為控制核心，構(gòu)成多級控制電路，同軟件配合以編程方式控制無刷直流電動機的工作，實踐結(jié)果證明該裝置具有良好的靈活性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：直流電動機；無刷；執(zhí)行元件

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.23.091

0 引言

直流電動機的調(diào)速性能非常優(yōu)越，利用電刷和換向器的機械整流作用實現(xiàn)能力的轉(zhuǎn)換，在此過程中存在換向火花，容易產(chǎn)生各種干擾，嚴(yán)重限制了直流電動機在各類控制系統(tǒng)中的使用。無刷直流電動機應(yīng)運而生，特別是隨著電子整流技術(shù)的發(fā)展特別是電力電子技術(shù)的極大進步，無刷直流電動機克服了傳統(tǒng)直流電動機的缺點和問題，使得其廣泛應(yīng)用在各類控制系統(tǒng)中。近年來，高磁能積永磁材料陸續(xù)出現(xiàn)，無刷直流電動機的性能更加優(yōu)越、體積更小，目前無刷直流電動機已經(jīng)在國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，特別是在家電、電力傳動摩托車、汽車、航空航天等領(lǐng)域。因此對其進行控制的技術(shù)開發(fā)也越來越受到重視。

1 無刷直流電動機的控制方案

整個控制系統(tǒng)主要由無刷直流電動機、逆變器、傳感器與控制執(zhí)行器等四大部分組成，同時為了保證裝置的正常工作，具有短路、過流、過電壓和欠電壓等故障保護電路。。無刷直流電動機實際上是永磁同步電機。定子結(jié)構(gòu)與普通同步電動機一致，鐵心上有槽，槽內(nèi)嵌入嵌有多相對稱繞組，繞組根據(jù)需要可以是三角形結(jié)構(gòu)，也可以是Y型結(jié)構(gòu)，不管是何種形式，在使用時分別與逆變器中的各開關(guān)管直接相連。逆變器由主開關(guān)和附件做成，主開關(guān)一般采用大功率電力電子器件，例如雙向可控硅或功率MOSFET等全控型器件。傳感器的作用是檢測無刷直流電動機的轉(zhuǎn)子中磁極相對與定子中多相繞組的位置信息，為逆變器換相提供精準(zhǔn)的位置信息，實現(xiàn)電流轉(zhuǎn)換工作。位置傳感器的結(jié)構(gòu)包括兩部分：定子和轉(zhuǎn)子，其中轉(zhuǎn)子與無刷直流電動機的結(jié)構(gòu)同軸，以實時掌握記錄無刷直流電動機轉(zhuǎn)子磁極的位置；而定子可以固定在無刷直流電動機的靜止部分，如外殼或端蓋上，把檢測轉(zhuǎn)子位置信號輸出。控制執(zhí)行器是無刷直流電動機正常運行并實現(xiàn)各種調(diào)節(jié)功能指揮中心，例如速度調(diào)節(jié)、制動、正反轉(zhuǎn)等，一般具有如下功能：對轉(zhuǎn)子傳感器輸出的信號、調(diào)制信號、控制和制動等各類信號進行邏輯處理，為各開關(guān)管的選通信號和斬波信號，實現(xiàn)電機啟動、制動、調(diào)速和方向控制；產(chǎn)生調(diào)制信號實現(xiàn)電機開環(huán)調(diào)速；對無刷直流電動機進行電流與速度閉環(huán)調(diào)節(jié)，使得整個控制裝置動態(tài)和靜態(tài)的各項性能指標(biāo)良好。

微控制器采集電壓、電流和各種控制要求，諸如調(diào)速、制動、正反裝等實際控制要求和位置傳感器的三個輸出信號，用編程的方法來模擬無刷電機的控制邏輯，按照控制程序進行處理，將各類控制信號和要求轉(zhuǎn)換成驅(qū)動六個功率開關(guān)器件所要求的驅(qū)動順序。功率驅(qū)動單元主要由三相橋式逆變電路和自舉電路組成。逆變電路把直流信號轉(zhuǎn)換成交流輸出給無刷直流電動機，無刷直流電動機從而完成各類控制要求，傳感器在無刷直流電動機運行過程中時刻檢測定轉(zhuǎn)子磁極相對位置，開關(guān)電路根據(jù)上述信息為整個電路正常各種提供出換相的正確時機。短路、過流、過電壓和欠電壓等故障保護電路由調(diào)速信號和制動信號、過電流保護電路、電流采樣電路、電壓比較電路構(gòu)成。

2 控制裝置的硬件設(shè)計

2.1 電源電路

24V電池送入U1、U2、U3穩(wěn)壓器輸出+12V、+15V和+5V給MCU及其它裝置供電。

2.2 逆變器主電路設(shè)計

逆變器采用自控式逆變器，將直流電轉(zhuǎn)換成交流電向無刷直流電動機供電，另外通過控制使得無刷直流電動機輸入電流的頻率和轉(zhuǎn)速始終保持在同步狀態(tài)，因此無刷直流電動機和逆變器不會產(chǎn)生失步和振蕩。

2.3 MCU的選擇與設(shè)計

在整個控制裝置中需要把多種模擬量需要轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，在目前脈寬調(diào)制PWM技術(shù)在無刷直流電動機控制中廣泛使用，綜上，選用的MCU應(yīng)該有多通道A/D轉(zhuǎn)換模塊同時應(yīng)具有脈寬調(diào)制輸出端口。本控制裝置采用LPC2132作為主控芯片，可以實現(xiàn)專用控制芯片的全部功能，可以通過軟件控制，修改程序可適應(yīng)不同型號和用途的無刷直流電動機，使得系統(tǒng)設(shè)計非常靈活方便，這樣很容易實現(xiàn)系統(tǒng)擴展，以滿足實際控制需求。

2.4 保護電路設(shè)計

電流信號經(jīng)由采樣電阻獲取，經(jīng)過LM492放大，由單片機LPC2132通道1（管腳2）輸入，并進行控制處理。同時。電流采樣信號通過LM492與一固定電壓值比較，當(dāng)電壓的電流過大時，LM492輸出高電平，送入IGBT直接關(guān)斷輸出，進行邏輯功能保護。

3 控制裝置的軟件設(shè)計

軟件在設(shè)計時按順序掃描控制的模式編制。 程序在執(zhí)行時首先上電復(fù)位，初始化時鐘和中斷源，在此基礎(chǔ)上打開中斷。 當(dāng)MCU檢測到轉(zhuǎn)子的輸入電壓時， 將該電壓經(jīng)MCU中的模擬和數(shù)字轉(zhuǎn)化模塊，A/D轉(zhuǎn)換后按程序算法，計算出PWM的占空比，然后MCU再計算輸出PWM波形。接著采樣傳感器產(chǎn)生位置信號， 將該信號的狀態(tài)與無刷直流電動機固定的相位控制序列進行比較判斷，根據(jù)控制要求判斷無刷直流電動機的相位是否正確。如果是正確， 就按照要求輸出PWM波， 否則的話，裝置重新復(fù)位。欠電壓檢測需要在程序設(shè)置欠電壓的數(shù)值，控制裝置在運行過程中采樣電源電壓，如果采樣得到的電壓低于程序中設(shè)定的設(shè)定值，裝置則關(guān)閉輸出， 否則該裝置進行限電壓保護檢測。限電流保護檢測是把電壓傳感器測量得到的電壓，經(jīng)過放大、檢波、、濾波，然后A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換得到的數(shù)值與程序設(shè)定的電流限定值進行比較，如果大于裝置最高要求限定值， 裝置強制關(guān)閉輸出，否則的話，該裝置正常運行。該裝置在運行的過程中實時監(jiān)測剎車信號，如果有剎車信號輸人， 裝置則關(guān)閉輸出。

軟件編程在設(shè)計時，其中定時器根據(jù)各種控制要求產(chǎn)生斬波電壓，綜合運用中斷，改變斬波電壓，然后再需要時對應(yīng)單元寫入數(shù)值。位置輸入信號經(jīng)程序運算產(chǎn)生對應(yīng)的輸出邏輯。剎車信號、過電壓和過電流信號一次寫入讀入，并根據(jù)控制要求進行相應(yīng)處理，輸出相應(yīng)的動作。

參考文獻：

[1]張琛.直流無刷電動機的原理及應(yīng)用[M].北京機械工業(yè)出版社，2004.endprint