基于雙單片機(jī)的無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王恒　李陳康

摘 要：為了降低電動(dòng)車(chē)控制模塊的成本，設(shè)計(jì)了帶霍爾傳感器的三相無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）的單片機(jī)控制系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)采用主、從雙單片機(jī)模式的控制方案，并采用三片功率管柵極驅(qū)動(dòng)集成芯片，逆變電路采用MOSFET組合的全橋驅(qū)動(dòng)方式。建立了Proteus仿真平臺(tái)和實(shí)物平臺(tái)，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該雙單片機(jī)驅(qū)動(dòng)的BLDC調(diào)速平臺(tái)能夠平穩(wěn)快速運(yùn)行。因此，該雙單片機(jī)控制方案可以作為電動(dòng)車(chē)低成本控制的可選方案之一。

關(guān)鍵詞：主從模式；無(wú)刷直流電機(jī)；PID控制；單片機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）12-00-04

0 引 言

永磁同步發(fā)電機(jī)不需要?jiǎng)?lì)磁繞組和直流勵(lì)磁電源，也就取消了容易出問(wèn)題的集電環(huán)和電刷裝置，成為無(wú)刷電機(jī)（Brushless Motor）。在交流電動(dòng)機(jī)中，永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)與電源頻率保持恒定的關(guān)系，這一固有特性稱(chēng)為“同步”（Synchronous），也使得永磁同步電機(jī)可以直接用于開(kāi)環(huán)的變頻調(diào)速系統(tǒng)。調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)加上轉(zhuǎn)子位置閉環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成自同步永磁電動(dòng)機(jī)。其中，反電動(dòng)勢(shì)波形和電樞驅(qū)動(dòng)電流波形都是矩形波的電動(dòng)機(jī)，通常稱(chēng)為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)（Brushless Direct Current Motor，BLDCM）；反電動(dòng)勢(shì)波形和電樞驅(qū)動(dòng)電流波形都是正弦波的電動(dòng)機(jī)，稱(chēng)為正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)，簡(jiǎn)稱(chēng)永磁同步電動(dòng)機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）[1]。

無(wú)刷直流電機(jī)與正弦波永磁同步電機(jī)等廣泛應(yīng)用在高控制精度和高可靠性的場(chǎng)合，如航空、數(shù)控機(jī)床、加工中心、機(jī)器人、電動(dòng)汽車(chē)、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備和家用電器等[1， 2]。目前， 對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的調(diào)速控制主要為采用DSP等數(shù)字信號(hào)處理器[3，4]、高性能單片機(jī)[5，6]等，實(shí)現(xiàn)BLDC的數(shù)字化控制。本文研究對(duì)象為某電動(dòng)車(chē)公司委托開(kāi)發(fā)高性能、低成本的控制器模塊，在目前紛擾多變的電動(dòng)車(chē)控制器市場(chǎng)，降低成本對(duì)提高競(jìng)爭(zhēng)力顯得越來(lái)越重要。所以，本文在現(xiàn)有DSP控制等高成本的控制方案外，提出了采用低成本的單片機(jī)的控制方案[7]，根據(jù)試驗(yàn)調(diào)試改進(jìn)，最終采用兩片單片機(jī)作為控制核心，實(shí)現(xiàn)主、從單片機(jī)分工協(xié)作的無(wú)刷直流電機(jī)的控制模式。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的總體功能框圖如圖1所示，本系統(tǒng)硬件電路主要由單片機(jī)控制器、鍵盤(pán)模塊、顯示模塊、位置傳感器模塊、驅(qū)動(dòng)電路模塊、電機(jī)本體模塊、保護(hù)模塊、電源模塊等部分組成。系統(tǒng)將捕獲的鍵盤(pán)信號(hào)、轉(zhuǎn)子位置信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)送給處理器，通過(guò)內(nèi)部程序輸出系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)給顯示器，同時(shí)通過(guò)PID 算法和脈寬調(diào)制PWM 技術(shù)，輸出正確的換相與調(diào)速信號(hào)給驅(qū)動(dòng)電路，再利用開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式使半導(dǎo)體功率器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，來(lái)控制電機(jī)電樞電壓，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)的換相、閉環(huán)調(diào)速和狀態(tài)顯示等功能。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 電源模塊方案

在本系統(tǒng)中，無(wú)刷直流電機(jī)需要24 V、12 A 電源，柵極驅(qū)動(dòng)芯片電路等需要15 V 電平，而單片機(jī)、顯示模塊等其它電路需要5 V電平。所以，系統(tǒng)采用外部24 V電池供電，并且電源模塊需要在24 V基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)降壓電路，得到15 V、5 V兩種電平。系統(tǒng)采用LM317 得到15 V電平，采用LM7805得到5 V電平。其中，LM317電路需要設(shè)置外部?jī)蓚€(gè)電阻的阻值，來(lái)精確實(shí)現(xiàn)15 V電平，設(shè)計(jì)根據(jù)公式，限制條件為R23≤0.83 kΩ，R24≤23.74kΩ，。所以，根據(jù)現(xiàn)有精度為5%的碳膜標(biāo)稱(chēng)電阻選型，選擇R23，R24分別為300 Ω，3.3 kΩ，從而實(shí)現(xiàn)輸出電平為15 V，輸出電流為4.16 mA。電源模塊電路如圖2所示。

2.2 微處理器模塊

系統(tǒng)采用兩片STC89C52作為控制微處理器，設(shè)計(jì)為主、從雙單片機(jī)系統(tǒng)。STC89C52是宏晶科技公司產(chǎn)品，兼容8051單片機(jī)。相比于DSP等高端微處理器，其優(yōu)點(diǎn)在于價(jià)格低廉，在滿(mǎn)足功能需求的情況下，要求盡量縮減生產(chǎn)成本。

主、從單片機(jī)模塊方案選擇考慮是：采用一片單片機(jī)完成系統(tǒng)所有信號(hào)獲取、測(cè)量、換相、控制運(yùn)算、顯示、并輸出PWM控制信號(hào)等功能，容易導(dǎo)致系統(tǒng)CPU資源緊張，程序的多任務(wù)處理難度增大，處理速度跟不上，運(yùn)行發(fā)現(xiàn)換相處理慢從而導(dǎo)致電機(jī)缺相抖動(dòng)。所以，采用兩片單片機(jī)并行運(yùn)行，一片為主單片機(jī)，負(fù)責(zé)鍵盤(pán)處理、顯示，并向PID控制器提供設(shè)定值和測(cè)量值，設(shè)定PID控制器的控制速度等；另一片為從單片機(jī)，負(fù)責(zé)進(jìn)行換相、PID運(yùn)算和PWM控制信號(hào)輸出等。主、從單片機(jī)模塊如圖3所示，其中U1為主單片機(jī)，U2為從單片機(jī)。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

本系統(tǒng)所用電機(jī)為三相無(wú)刷直流電機(jī)，自帶霍爾位置傳感器。無(wú)刷直流電機(jī)的換相與調(diào)速需要設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)模塊主要包括功率管柵極驅(qū)動(dòng)模塊和逆變電路兩部分。本系統(tǒng)采用IR2103等功率管柵極驅(qū)動(dòng)集成芯片，逆變電路采用MOSFET組合的全橋驅(qū)動(dòng)方式。單片機(jī)輸出的換相和調(diào)速PWM信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片IR2103放大后，有規(guī)律的使六個(gè)功率管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。這樣就可以為電動(dòng)機(jī)內(nèi)的3個(gè)繞組循環(huán)提供激勵(lì)電流，使它們產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。逆變橋電路如圖4所示。

系統(tǒng)電樞額定電流IaH=8.5 A，因?yàn)槊總€(gè)控制元件導(dǎo)通120°，所以控制元件的峰值電流可以由式計(jì)算得到，I=25.5 A，額定電壓UH=36 V。峰值電壓應(yīng)有40%的余量，所以，UM=UH×1.4=50.4 V。通過(guò)以上計(jì)算，可以選擇MOSFET峰值電流為25 A，峰值電壓為50 V。所以，本系統(tǒng)選用60N06型MOSFET。三片IR2103是IOR公司生產(chǎn)的N溝道MOSFET柵極專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)電路芯片。該芯片可以把單片機(jī)邏輯電路產(chǎn)生的勵(lì)磁信號(hào)電平放大，滿(mǎn)足三相橋式功率管電路上、下管飽和導(dǎo)通要求。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的逆變電路部分如圖4所示。該方案相比專(zhuān)用三相無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)集成塊如ECN30206、TPD412X和L6235等，雖然電路稍復(fù)雜，抗干擾性和可靠性不如集成芯片，但是具有連續(xù)輸出電流較大，驅(qū)動(dòng)功率較大等優(yōu)點(diǎn)。

2.4 按鍵電路模塊

系統(tǒng)采用五個(gè)獨(dú)立按鍵作為系統(tǒng)人機(jī)交互的輸入端，分別設(shè)定參數(shù)信號(hào)為正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速和啟動(dòng)/停止。它們分別與主單片機(jī)U1的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4接口相連，由U1內(nèi)部軟件程序進(jìn)行按鍵信號(hào)捕捉去抖動(dòng)處理與響應(yīng)，并產(chǎn)生鍵值信號(hào)輸送給從單片機(jī)U2。此處電路簡(jiǎn)單，不單獨(dú)列出，可參考圖8的Proteus仿真電路。

2.5 霍爾傳感器采集模塊

無(wú)刷直流電機(jī)采用霍爾開(kāi)關(guān)集成塊傳感器測(cè)量位置。傳感器安裝于電機(jī)中，外部有5根輸出引線，分別為傳感信號(hào)A輸出（藍(lán)線）、傳感信號(hào)B輸出（綠線）、傳感信號(hào)C輸出（黃線）和兩根5 V電源供電線（紅、黑線）。根據(jù)霍爾開(kāi)關(guān)集成傳感器工作原理，轉(zhuǎn)子位置與速度信號(hào)采集電路如圖5所示。

無(wú)刷直流電機(jī)的霍爾位置傳感器是集電極開(kāi)路輸出，需要在檢測(cè)電路中加上上拉電阻R20、R21和R22。此外，電路中對(duì)檢測(cè)波形采取了C17、C18和C19硬件濾波措施，通過(guò)開(kāi)關(guān)二極管的通斷將信號(hào)送到單片機(jī)。以A相轉(zhuǎn)子位置信號(hào)為例，當(dāng)轉(zhuǎn)子位置傳感器SensorA輸出為低電平，D18導(dǎo)通，單片機(jī)Sensor1端口采集到數(shù)字0信號(hào)；當(dāng)轉(zhuǎn)子位置傳感器SensorA輸出為高電平時(shí)，D18截止，單片機(jī)的上拉電阻是使Sensor1端口采集到數(shù)字1信號(hào)。電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)后，電動(dòng)機(jī)內(nèi)的3個(gè)開(kāi)關(guān)型霍爾元器件產(chǎn)生位置傳感脈沖信號(hào)，它們通過(guò)C17、C18和C19濾除干擾后，通過(guò)D18、D19、D20（1N4148）加到單片機(jī)模塊的轉(zhuǎn)子位置采集端口，同時(shí)取其中一相轉(zhuǎn)子信號(hào)作為測(cè)速信號(hào)連接到單片機(jī)的測(cè)速端口。

2.6 保護(hù)模塊

系統(tǒng)的電路保護(hù)模塊分為兩部分，一個(gè)是蓄電池電壓欠壓保護(hù)，一個(gè)是直流側(cè)母線電流的過(guò)流保護(hù)。蓄電池欠壓保護(hù)目的是防止電池電量不足而繼續(xù)放電，影響電池使用壽命；過(guò)流保護(hù)目的是在出現(xiàn)短路等電流故障瞬間及時(shí)切斷電源，保護(hù)電路器件不被損壞。過(guò)流保護(hù)的實(shí)現(xiàn)可通過(guò)采樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。兩路保護(hù)信號(hào)可通過(guò)一片電壓比較器LM324檢測(cè)實(shí)現(xiàn)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主單片機(jī)U1 完成的主要功能是系統(tǒng)故障的判斷顯示、鍵盤(pán)信號(hào)的捕獲處理、系統(tǒng)功能的提示顯示、轉(zhuǎn)速的獲取顯示以及與從單片機(jī)U2 的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。主單片機(jī)的程序運(yùn)行流程如圖6所示。單片機(jī)U1 還通過(guò)外部中斷0 獲取處理向U2 的數(shù)據(jù)傳輸響應(yīng)返回值，以確保數(shù)據(jù)傳輸無(wú)誤；此外還通過(guò)定時(shí)器1和外部中斷1 獲取轉(zhuǎn)速信號(hào)以完成轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)顯示。

從單片機(jī)U2 完成的主要功能是系統(tǒng)故障的處理、鍵值信號(hào)的響應(yīng)、無(wú)刷直流電機(jī)的及時(shí)換相、轉(zhuǎn)速的獲取、PID算法的處理、PWM 脈沖的產(chǎn)生輸出以及與單片機(jī)U1 的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。其從單片機(jī)的主程序運(yùn)行流程如圖7 所示。單片機(jī)U2還通過(guò)外部中斷0進(jìn)行故障處理，并通過(guò)定時(shí)器1和外部中斷1獲取轉(zhuǎn)速信號(hào)以完成測(cè)速，此外還通過(guò)定時(shí)器0產(chǎn)生PWM 脈沖信號(hào)等。其中，PID具體參數(shù)需要現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。

4 控制系統(tǒng)原型

為了避免實(shí)物制作的損失，采用Proteus建立的無(wú)刷直流電機(jī)的仿真平臺(tái)如圖8所示。程序在Keil uVision4中調(diào)試通過(guò)后，把生成的hex文件加載到Proteus仿真系統(tǒng)中，通過(guò)在該仿真平臺(tái)上運(yùn)行無(wú)誤后，再下載到硬件原型上。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)物原型如圖9所示。其中，圖9（a）為硬件控制板，單片機(jī)、顯示模塊、按鍵等為一塊板子，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等為另一塊板子。圖9（b）為某電動(dòng)車(chē)公司提供的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的后輪，霍爾傳感器可直接連接到電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊所在板子。通過(guò)仿真系統(tǒng)和實(shí)物測(cè)試，得到本系統(tǒng)較為合適的PID參數(shù)值分別為：KP=2，KI=2.2，KD=0.2。

5 結(jié) 語(yǔ)

為了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車(chē)無(wú)刷直流電機(jī)的低成本控制，采用主、從單片機(jī)模式的控制方案，設(shè)計(jì)了一個(gè)無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，通過(guò)Proteus仿真和實(shí)物實(shí)驗(yàn)，得到了PID控制具體參數(shù)值。實(shí)驗(yàn)表明，該調(diào)速平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)該無(wú)刷直流電機(jī)的運(yùn)行，并且成本控制遠(yuǎn)低于DSP控制方案。這說(shuō)明，該雙單片機(jī)控制方案作為電動(dòng)車(chē)無(wú)刷直流電機(jī)控制的低成本方案之一，具有一定的可行性。

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