基于單片機(jī)C8051F500的無刷直流電機(jī)控制研究

張 揚(yáng)，王 聰，張 雷

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110032）

1 引言

無刷直流電機(jī)自誕生以來，因其具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)容易、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，同時兼有直流電機(jī)無勵磁損耗、運(yùn)行效率高以及調(diào)速性能好等優(yōu)點(diǎn)，還克服了直流電機(jī)由于機(jī)械換相和電刷而帶來的一系列弊端，因此被廣泛應(yīng)用于各種調(diào)速場合[1]。在國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域中它得到越來越廣泛的應(yīng)用，如工業(yè)控制、汽車電子產(chǎn)品、電動車、電冰箱、洗衣機(jī)、電風(fēng)扇、空調(diào)等家電器產(chǎn)品。在航空航天和軍工方面也有大量應(yīng)用，如航天飛機(jī)、電傳動裝甲車輛和魚雷等。

2 無刷直流電機(jī)控制理論

普通直流電機(jī)的電樞通常在轉(zhuǎn)子上，定子用于產(chǎn)生固定不變的磁場，需要通過換向器與電刷不間斷的改變電流方向，確保兩個磁場的方向一直處于垂直狀態(tài)，產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩，從而驅(qū)動轉(zhuǎn)子不斷旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)動。

為減小電刷上的損耗，設(shè)計定子由電樞組成，轉(zhuǎn)子由永磁鐵組成，實(shí)現(xiàn)電機(jī)從有刷變?yōu)闊o刷。定子中電樞按照一定時序通入直流電，使定子中電樞產(chǎn)生的變化磁場始終與轉(zhuǎn)子中永磁鐵產(chǎn)生的磁場保持90°左右的空間角，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩帶動轉(zhuǎn)子不斷旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)工作。在綜合考慮無刷直流電機(jī)構(gòu)成、轉(zhuǎn)矩波動、繞組整體使用效率以及控制電路成本等因素前提下，研究選取了一種三相星形全橋驅(qū)動的方式，其原理圖如圖1所示。

圖1 三相星形全橋驅(qū)動原理圖

通過監(jiān)測轉(zhuǎn)子所處的不同位置，對應(yīng)生成有序的控制信號，用于控制開關(guān)管V1～V6的導(dǎo)通與關(guān)斷，確保任意時刻三項(xiàng)繞組中兩項(xiàng)導(dǎo)通，定子與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場始終相互作用，使電機(jī)處于工作狀態(tài)。

3 仿真分析

3.1 MATLAB/Simulink仿真

在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)仿真模型，如圖2所示。仿真模型主要由6個模塊組成：逆變電路模塊、電機(jī)本體模塊、電流檢測模塊、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模塊、電流調(diào)節(jié)模塊、負(fù)載模塊。

仿真系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制策略，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為速度環(huán)。主電路采用三相全橋式電路，選擇120°兩兩導(dǎo)通方式。在直流調(diào)速控制系統(tǒng)中，電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制具有動態(tài)響應(yīng)快與抗干擾能力強(qiáng)兩個突出特點(diǎn)，是應(yīng)用最為廣泛的一種控制方式。采用無刷直流電機(jī)控制器一方面能夠減小轉(zhuǎn)速與設(shè)定值之間的誤差，另一方面當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時能起到抗干擾的作用，使整個系統(tǒng)工作在穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 無刷直流電機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真模型

電流調(diào)節(jié)器的作用是：當(dāng)電壓發(fā)生變化時，使電流只跟隨著負(fù)載變化，當(dāng)電網(wǎng)波動時，能夠起到抗干擾的作用；使其動態(tài)過程加快；當(dāng)發(fā)生過載或者堵轉(zhuǎn)時，加快自保護(hù)的能力[2]。

3.2 仿真波形

電機(jī)定子電樞中三相繞組的電流波形圖如圖3所示，三組波形為相位差為120°的方波，其導(dǎo)通邏輯順序與理論依據(jù)相符。

圖3 電機(jī)定子電樞中三相繞組的電流波形圖

電機(jī)轉(zhuǎn)速波形如圖4所示，空載時電機(jī)能夠在0.03s內(nèi)快速升至設(shè)定值2000r/min。負(fù)載在0.5s處發(fā)生突變，由0N·m迅速升至1N·m，電磁轉(zhuǎn)矩依據(jù)電機(jī)運(yùn)動方程增加了1N·m。電機(jī)轉(zhuǎn)速幾乎沒有發(fā)生改變，繼續(xù)維持在設(shè)定值上下，該控制系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)、動態(tài)運(yùn)行性能上有良好的表現(xiàn)。

圖4 電機(jī)轉(zhuǎn)速波形圖

4 硬件及軟件設(shè)計

隨著高性能微處理器的不斷涌現(xiàn)，目前基于現(xiàn)場可編程門陣列FPGA、數(shù)字信號處理器DSP、ARM、高性能單片機(jī)及專用芯片等微處理器的電路研究應(yīng)用已經(jīng)成為電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域的主流[3]。

本控制系統(tǒng)的總體構(gòu)成框圖如圖5所示。控制電路由主控芯片C8051F500與電機(jī)專用芯片MC33035、MC33039構(gòu)成。主控芯片C8051F500對無刷直流電機(jī)進(jìn)行啟動停止、正反轉(zhuǎn)、調(diào)速、轉(zhuǎn)速顯示等控制?；魻栁恢脗鞲衅鞯姆答佇盘柦?jīng)MC33035邏輯變換后生成六路輸出控制信號送到逆變電路，控制逆變功率開關(guān)管以一定規(guī)律導(dǎo)通與關(guān)斷，使電機(jī)定子電樞按照一定電度角，產(chǎn)生不間斷步進(jìn)的磁勢，從而帶動電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的工作。MC33039可以將霍爾位置傳感器的反饋信號轉(zhuǎn)換成一組正比于電機(jī)轉(zhuǎn)速的脈沖信號，配合MC33035構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

圖5 無刷直流電機(jī)系統(tǒng)控制框圖

4.1 專用芯片MC33035與MC33039

MC33035是由美國安森美生產(chǎn)的一種高性能第二代單片無刷直流電機(jī)專用控制器，可用于三相或四相電機(jī)的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全開環(huán)的全部動力控制功能[4]。

MC33035芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。引腳4、5、6用于接收轉(zhuǎn)子位置信號，通過轉(zhuǎn)子位置解碼器等電路轉(zhuǎn)換成控制信號，一部分用于控制三個集電極開路的高速驅(qū)動輸出電路，另一部分用于控制三個圖騰柱低速驅(qū)動輸出電路。引腳10內(nèi)部振蕩器的頻率可以通過RT、CT的值設(shè)定。引腳11輸入一個電壓信號，用于控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。下橋控制信號、鋸齒波振蕩頻率、轉(zhuǎn)速設(shè)定值共同在PWM比較器輸出端生成PWM控制信號，用于控制圖騰柱電路中的場效應(yīng)管。芯片內(nèi)部還包含限流電路，故障輸出電路，具有溫度補(bǔ)償?shù)?.25V內(nèi)部基準(zhǔn)電路。

圖6 MC33035芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

MC33039是由美國安森美生產(chǎn)的一款高性能的閉環(huán)速度控制芯片，專用于各種無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中，無需專門的磁性或光學(xué)轉(zhuǎn)速計就能完成精確的速度控制[5]。芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

圖7 MC33039芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

芯片內(nèi)包含三個數(shù)字信號邊沿檢測器、一個內(nèi)部并聯(lián)調(diào)節(jié)器、一個可編程單穩(wěn)態(tài)以及一個輸出變換器。輸入端起緩沖作用的延時器可提高芯片抗干擾能力。MC33039的1、2、3引腳用于接收霍爾傳感器生成的三個位置信號，經(jīng)帶有滯后的緩沖電路來抑制輸入噪聲，通過單穩(wěn)態(tài)電路（RT、CT）設(shè)定內(nèi)部時鐘，再經(jīng)或運(yùn)算生成相當(dāng)于電機(jī)每對極下的脈沖信號。5引腳輸出的信號是位置信號經(jīng)過F/V（頻率/電壓）變換生成的與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比的脈沖信號。

4.2 逆變電路與電機(jī)驅(qū)動控制

逆變電路原理圖如圖8所示。上橋開關(guān)管選擇三只 P-Channel MOSFET（IRF9Z34NL），下橋開關(guān)管選擇三只N-Channel MOSFET（IRL520NS）。電機(jī)控制芯片MC33035上部三個集電極開路驅(qū)動器用于驅(qū)動三只P-Channel MOSFET，下部三個大電流圖騰柱電路用于驅(qū)動三只N-Channel MOSFET。

電機(jī)驅(qū)動控制原理如圖9所示，其中專用芯片MC33035、MC33039與六只MOSFET和霍爾位置傳感器構(gòu)成一個閉環(huán)系統(tǒng)，用于提供驅(qū)動時序和提供功率驅(qū)動[6]。

圖8 逆變電路原理圖

通過將電阻串聯(lián)在三相繞組中，獲取電機(jī)總的工作電流，將該電流值以電壓的形式反饋至芯片內(nèi)部，從而實(shí)現(xiàn)逐周期的電流保護(hù)，保護(hù)電機(jī)工作電流不超過設(shè)計值。

圖9 基于MC33035、MC33039構(gòu)建電機(jī)驅(qū)動控制原理圖

4.3 控制板與實(shí)驗(yàn)平臺

直流電機(jī)控制板如圖10所示，對電機(jī)調(diào)速方式采用PWM脈寬調(diào)制。采用H-on_L-pwm調(diào)制方式（上橋開關(guān)管開啟，下橋開關(guān)管脈沖寬度調(diào)制），此種斬波方式能夠產(chǎn)生較小的換相轉(zhuǎn)矩脈動[7]。

圖10 無刷直流電機(jī)控制板

系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺如圖11所示，通過直流電源GPD-3303S為整個系統(tǒng)進(jìn)行供電，實(shí)驗(yàn)控制板對電機(jī)進(jìn)行控制。

圖11 基于C8051F500、MC33035控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺

整個控制系統(tǒng)以C8051F500單片機(jī)[8]為控制核心，根據(jù)無刷直流電機(jī)霍爾位置傳感器反饋的位置信號實(shí)時檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)速信息，并將實(shí)時轉(zhuǎn)速值與設(shè)定轉(zhuǎn)速值進(jìn)行比較，其差值作為轉(zhuǎn)速環(huán)的輸入值。該輸入值經(jīng)過電機(jī)專用驅(qū)動芯片MC33035，專用控制芯片通過PWM方式調(diào)整定子電樞中的平均電壓，從而將轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在設(shè)定值。采用逐周期電流限制可有效防止電機(jī)過載運(yùn)行導(dǎo)致過熱損壞。監(jiān)控每次輸出開關(guān)導(dǎo)通時間內(nèi)建立的定子電流實(shí)現(xiàn)逐周期電流限制，在檢測到過電流時，立即關(guān)閉開關(guān)管，從而保護(hù)電機(jī)。

通過單片機(jī)P1.1引腳連接MC33035引腳3實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制。當(dāng)P1.1引腳輸出高電平時，電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)輸出為低電平時，電機(jī)反轉(zhuǎn)。

通過單片機(jī)P1.2引腳連接MC33035引腳7實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟動/停止控制。當(dāng)P1.2引腳輸出高電平時，驅(qū)動輸出電路正常工作，當(dāng)輸出為低電平時，高邊驅(qū)動輸出關(guān)閉，底邊驅(qū)動強(qiáng)制為低電平，電機(jī)停轉(zhuǎn)。使能控制可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)平穩(wěn)啟動/停止控制功能。

通過單片機(jī)P1.3引腳連接MC33035引腳23實(shí)現(xiàn)電機(jī)制動控制。當(dāng)P1.3引腳輸出高電平時，電機(jī)進(jìn)行能耗制動。芯片內(nèi)部有一個四輸入的或非門電路，當(dāng)輸出信號為制動信號和高邊驅(qū)動輸出信號時，待檢測上橋驅(qū)動輸出確實(shí)為高電平之后，低邊三個低速驅(qū)動輸出才為高電平狀態(tài)，避免出現(xiàn)上、下橋同時導(dǎo)通燒毀開關(guān)管與電機(jī)的情況。緊急制動會產(chǎn)生較大的瞬態(tài)沖擊，合理泄放存貯能量，保證安全。

當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)故障時，可通過MC33035引腳14輸出一低電平，將該引腳連接一只發(fā)光二極管，作為故障指示燈。同時，控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速、設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速、正反轉(zhuǎn)切換、使能、緊急制動、過流保護(hù)、欠壓鎖定、故障報警等功能。

4.4 PC機(jī)與單片機(jī)的通訊

上位機(jī)界面控制程序是人機(jī)交互界面，采用Microsoft Visual Studio 2005軟件進(jìn)行上位機(jī)程序的編寫，上位機(jī)計算機(jī)（PC）與下位機(jī)單片機(jī)（MCU）進(jìn)行串口通信，實(shí)現(xiàn)控制命令與反饋信號的傳輸。

圖12為單片機(jī)與PC通信界面，當(dāng)設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速為220轉(zhuǎn)/分時，電機(jī)實(shí)時轉(zhuǎn)速如圖13所示。

圖12 單片機(jī)與PC機(jī)通信界面

5 結(jié)束語

使用C8051F500、MC33035與MC33039芯片控制的無刷直流電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)具有電路結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，穩(wěn)定性好，成本低，抗干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于小功率無刷直流電機(jī)的控制。

圖13 轉(zhuǎn)速表轉(zhuǎn)速顯示