基于MCU的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)剖析

浙江鑒豐電子科技有限公司 王 慶

無(wú)刷直流電機(jī)屬于一種新型無(wú)級(jí)變速電動(dòng)設(shè)備，具有體積小、質(zhì)量輕、調(diào)速快的特點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域特別廣泛。通過(guò)分析無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，能夠幫助操作人員更好的了解無(wú)刷直流電機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)，進(jìn)一步提升數(shù)字信號(hào)處理質(zhì)量。鑒于此，本文主要介紹基于MCU的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)的數(shù)字化控制。

1 無(wú)刷直流電機(jī)工作原理

無(wú)刷直流電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，屬于永磁同步電動(dòng)機(jī)，其內(nèi)部的定子繞組在交流電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng);轉(zhuǎn)子作為無(wú)刷直流電機(jī)的永磁體，能夠?yàn)檗D(zhuǎn)子提供充足的勵(lì)磁，電樞磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子磁勢(shì)在同一反應(yīng)過(guò)程當(dāng)中，能夠產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)行。結(jié)合直流電機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，保證兩個(gè)磁場(chǎng)處于垂直狀態(tài)，可以產(chǎn)生最大輸出電磁轉(zhuǎn)矩。由于無(wú)刷直流電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子長(zhǎng)期處于運(yùn)行狀態(tài)，內(nèi)部磁場(chǎng)也處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，為了保證無(wú)刷直流電機(jī)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，設(shè)計(jì)人員要合理優(yōu)化三相定子的通電時(shí)序，保證定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)處于垂直狀態(tài)[1]。

對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，在實(shí)際工作當(dāng)中，要結(jié)合無(wú)刷直流電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子的運(yùn)行情況，并根據(jù)三相定子的通電情況，來(lái)確定霍爾位置傳感器的安裝位置?；魻栁恢脗鞲衅髂軌驕?zhǔn)確輸出轉(zhuǎn)子位置信息，幫助操作人員更好的控制通電時(shí)序，保證轉(zhuǎn)子能夠更加平穩(wěn)可靠的運(yùn)行。

2 基于XMC1300的無(wú)刷直流電機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

2.1 主控電路設(shè)計(jì)分析

無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)主控電路的過(guò)程中，可以采用XMC1302為主要控制芯片，XMC1302是基于ARM M0核的32位微控制器(單片機(jī))，它具有一個(gè)獨(dú)特的CCU8單元，CCU8單元內(nèi)部含有4個(gè)獨(dú)立的計(jì)時(shí)單元，可以同時(shí)產(chǎn)生8路互補(bǔ)的PWM信號(hào)，無(wú)刷電機(jī)控制中僅需要6路互補(bǔ)的PWM信號(hào)。在定子繞組中，按不同的控制方法(如方波控制，矢量控制等)通入相應(yīng)的控制時(shí)序，在定子中就會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，永磁體轉(zhuǎn)子同步轉(zhuǎn)動(dòng)。合理的控制時(shí)序，保證無(wú)刷直流電機(jī)內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)功率更加穩(wěn)定[2]。

2.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)分析

MCU系統(tǒng)一般為低壓系統(tǒng)，無(wú)刷直流電機(jī)一般需要高壓電子開關(guān)驅(qū)動(dòng)，為了保證MCU輸出的低壓PWM信號(hào)能夠可靠穩(wěn)定有效的傳輸?shù)綗o(wú)刷電機(jī)定子上，通常在MCU和無(wú)刷電機(jī)電子開關(guān)器件之間設(shè)置合理的驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)低壓與高壓的隔離，同時(shí)提升驅(qū)動(dòng)電子開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)能力.同時(shí)驅(qū)動(dòng)電路帶有多種有效的保護(hù)機(jī)制，比如欠壓保護(hù)，高邊低邊互鎖保護(hù)，以及有效的濾波，提高驅(qū)動(dòng)信號(hào)的可靠性。例如，設(shè)計(jì)人員可以采用集成驅(qū)動(dòng)芯片IR2136，有效提升驅(qū)動(dòng)信號(hào)的穩(wěn)定性，保證整個(gè)系統(tǒng)更加安全可靠運(yùn)行[3]。

2.3 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路設(shè)計(jì)分析

設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子檢測(cè)電路的目的主要有兩個(gè):實(shí)時(shí)獲得轉(zhuǎn)子的位置信息和實(shí)時(shí)獲得轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速信息。轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路一般采用霍爾位置傳感器， 霍爾位置傳感器安裝在無(wú)刷直流電機(jī)內(nèi)部， 互差60°或120°。霍爾位置傳感器安裝精度直接影響檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的精度。還有一種比較常用的檢測(cè)方法:通過(guò)判斷非導(dǎo)通相的過(guò)零信號(hào)來(lái)判斷轉(zhuǎn)子的位置信息，此方波公適用于方波驅(qū)動(dòng)。后者省掉了霍爾傳感器，在降低硬件成本的同時(shí)，減少了無(wú)刷直流電機(jī)在制造過(guò)程中的工序，也從另一方面降低了電機(jī)的制造成本。

3 基于XMC1300的無(wú)刷直流電機(jī)軟件電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

3.1 無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)序

無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)序通常有兩種:方波驅(qū)動(dòng)時(shí)序和正弦波驅(qū)動(dòng)時(shí)序.設(shè)計(jì)人員根據(jù)應(yīng)用需求選擇合理的驅(qū)動(dòng)時(shí)序是非常的重要的.方波驅(qū)動(dòng)在某一時(shí)刻，三相定子中只有兩相導(dǎo)通，設(shè)計(jì)人員根據(jù)不同的霍爾位置信號(hào)，選擇合理的導(dǎo)通相，即可以在定子中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng).方波驅(qū)動(dòng)，成本低，可靠性高，產(chǎn)生上下電子開關(guān)直通的風(fēng)險(xiǎn)小，不用設(shè)置死區(qū)，但產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)是正六邊形的，而非圓形，所以會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，同時(shí)電磁噪音大.正弦波驅(qū)動(dòng)時(shí)序又分為SPWM時(shí)序和SVPWM時(shí)序.兩者在同一時(shí)刻，三相定子都導(dǎo)通，同時(shí)都能產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)的定子磁場(chǎng)，但SVPWM的電壓利用率比SPWM高15%.圓形旋轉(zhuǎn)的定子磁場(chǎng)，更加平滑， 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，電磁噪音低.

不同廠家生產(chǎn)的無(wú)刷直流電機(jī)位置信號(hào)輸出有差別，因此，在采購(gòu)無(wú)刷直流電機(jī)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員要結(jié)合各個(gè)廠家提供的數(shù)據(jù)，選擇合理的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)序。在調(diào)試無(wú)刷直流電機(jī)時(shí)序的過(guò)程中，操作人員可以根據(jù)霍爾傳感信號(hào)的分布情況，將6N137進(jìn)行有效隔離，并用手緩慢撥動(dòng)電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子，準(zhǔn)確讀取電機(jī)順時(shí)針與逆時(shí)針轉(zhuǎn)圈霍爾傳感器信號(hào)數(shù)據(jù)[4]。讀取完霍爾傳感器信號(hào)數(shù)據(jù)后，操作人員要根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行情況，合理調(diào)整電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)科學(xué)控制無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)序，在保證無(wú)刷直流電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)之上，不斷提升電機(jī)的整體運(yùn)行效率。

3.2 霍爾傳感器信號(hào)檢測(cè)

在無(wú)刷直流電機(jī)中，霍爾傳感器位置信號(hào)主要由霍爾傳感器進(jìn)行傳遞，操作人員可以將電機(jī)內(nèi)部電路進(jìn)行有效隔離，并準(zhǔn)確連接MCU與POSIF單元，保證無(wú)刷直流電機(jī)內(nèi)部換相得到有效控制，準(zhǔn)確計(jì)算電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)速。當(dāng)無(wú)刷直流電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子運(yùn)行速度較快時(shí)，會(huì)降低霍爾傳感信號(hào)的準(zhǔn)確性。因此，設(shè)計(jì)人員要結(jié)合MCU的運(yùn)行情況，科學(xué)識(shí)別霍爾傳感器信號(hào)，保證無(wú)刷直流電機(jī)內(nèi)部的通電相序更加合理[5]。

除此之外，在檢測(cè)霍爾傳感器信號(hào)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)MCU設(shè)備運(yùn)行周期，準(zhǔn)確計(jì)算無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子的位置角度。通過(guò)合理檢測(cè)霍爾傳感器信號(hào)，能夠?yàn)椴僮魅藛T提供更加精確的數(shù)據(jù)，更有效的控制時(shí)序，保證無(wú)刷直流電機(jī)能夠更加安全可靠的運(yùn)行。

3.3 科學(xué)選擇PWM波頻率

為了保證無(wú)刷直流電機(jī)的安全運(yùn)行，能夠從全方面滿足設(shè)計(jì)要求，需要科學(xué)的選擇PWM的工作頻率.如果PWM的工作頻率太高，一方面會(huì)增加電子開關(guān)器件的開關(guān)損耗，發(fā)熱量增大，為了保證安全運(yùn)行，可能要選擇高余量的電子開關(guān)，無(wú)形中增加了成本。另一方面，受MCU運(yùn)行速度的影響，不宜選擇過(guò)高的PWM頻率，否則會(huì)損失控制精度，環(huán)路控制波動(dòng)變大。由于無(wú)刷直流電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在實(shí)際操作過(guò)程中，操作人員可以根據(jù)電機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行情況，合理調(diào)整電機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行速率，進(jìn)一步提升無(wú)刷直流電機(jī)的抗干擾能力[6]。如果PWM頻率選擇太低，電機(jī)的運(yùn)行電磁噪音會(huì)增大。為了不斷減少無(wú)刷直流電機(jī)噪音，保證MCU電機(jī)控制模塊的穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)計(jì)人員需要選擇合理的PWM運(yùn)行頻率。在檢測(cè)PWM控制信號(hào)的過(guò)程中，操作人員要根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部三相全橋換向器的運(yùn)行情況，合理判斷PWM信號(hào)的準(zhǔn)確性，保證驅(qū)動(dòng)電路的電子開關(guān)安全運(yùn)行。

通過(guò)科學(xué)選擇PWM波頻率，能夠?yàn)椴僮魅藛T提供更加準(zhǔn)確的電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，保證無(wú)刷直流電機(jī)能夠更加可靠的運(yùn)行。由于MCU運(yùn)行單元能夠采集大量的數(shù)據(jù)，操作人員可以結(jié)合電機(jī)運(yùn)行情況，合理調(diào)整PID參數(shù)，科學(xué)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行速率。一般情況下，電機(jī)內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)速率不宜超過(guò)15°/s，保證電機(jī)停留在合理位置[7]。

MCU判斷系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中，由于電機(jī)的運(yùn)行速度不同，設(shè)計(jì)人員需要準(zhǔn)確判斷電機(jī)的運(yùn)行指令，準(zhǔn)確計(jì)算占空比的PWM數(shù)值，并結(jié)合控制系統(tǒng)的整體運(yùn)行情況，妥善控制電機(jī)的運(yùn)行速率。無(wú)刷直流電機(jī)內(nèi)部的跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，設(shè)計(jì)人員在實(shí)際工作當(dāng)中，要結(jié)合控制系統(tǒng)的總體運(yùn)行情況，將目標(biāo)進(jìn)行合理分解，保證無(wú)刷直流電機(jī)內(nèi)部控制系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上，通過(guò)科學(xué)設(shè)計(jì)無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)序、準(zhǔn)確檢測(cè)霍爾傳感器信號(hào)、合理選擇PWM波頻率，能夠保證無(wú)刷直流電機(jī)更加可靠的運(yùn)行，提升無(wú)刷直流電機(jī)內(nèi)部控制系統(tǒng)的總體運(yùn)行效率。對(duì)于相關(guān)設(shè)計(jì)人員來(lái)講，在實(shí)際工作當(dāng)中，要不斷學(xué)習(xí)先進(jìn)的微控制器知識(shí)，提升自身的專業(yè)技能，不斷提升無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的控制精度。

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[6]張鴻靜.基于DSP的無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)[J].燕山大學(xué)學(xué)報(bào),2016(03):206-211.

[7]劉勇.基于DSP的無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)[J].微特電機(jī),2015(01):40-42.