基于單片機(jī)的無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李艷芳，李治慧

（西安工商學(xué)院，陜西西安，710200）

0 引言

無(wú)刷直流電機(jī)是一款有別于普通電機(jī)的新型直流電機(jī)，它的組成結(jié)構(gòu)里沒(méi)有電刷，他采用的是電子換向器。這款電機(jī)作為風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)在應(yīng)用中擁有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，例如：使用周期長(zhǎng)、運(yùn)行效率高、運(yùn)轉(zhuǎn)低噪聲、工作轉(zhuǎn)速高、不產(chǎn)生換向火花、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠及易于保養(yǎng)維護(hù)。目前無(wú)刷直流電機(jī)廣泛應(yīng)用于洗衣機(jī)、新能源電動(dòng)汽車(chē)、航模、船舶、醫(yī)療電子及工業(yè)自動(dòng)化[1-2]。

1 調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)

調(diào)速系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。軟件設(shè)計(jì)主要針對(duì)MCU的算法編寫(xiě)來(lái)完成對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)液晶顯示器的顯示和使用獨(dú)立按鍵完成無(wú)刷直流電機(jī)的調(diào)速。

圖1 調(diào)速系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框圖

本次研究設(shè)計(jì)從目標(biāo)如下：

a.操控不使用霍爾元件的無(wú)刷直流電機(jī)的運(yùn)行并保護(hù)器件安全運(yùn)轉(zhuǎn)。

b.實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置準(zhǔn)確定位。

c.能通過(guò)獨(dú)立按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)操控?zé)o刷直流電機(jī)工作的啟動(dòng)和停機(jī)以及速度和正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)的控制。

d.使用顯示器反應(yīng)當(dāng)前無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速與正反轉(zhuǎn)狀態(tài)。

1.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體框圖的設(shè)計(jì)

在不使用霍爾元件的情況下采用反電動(dòng)勢(shì)法實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)的主要特點(diǎn)：在減少硬件制造的成本上任然能夠準(zhǔn)確且實(shí)時(shí)地自動(dòng)檢測(cè)到并得到無(wú)流有刷直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)外部每個(gè)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)位置、使用三段式暴力高速啟動(dòng)的控制方法使它來(lái)自動(dòng)完成直流電機(jī)的高速運(yùn)行、采用閉環(huán)式自動(dòng)調(diào)速控制技術(shù)、通過(guò)設(shè)定預(yù)定檔位來(lái)完成電機(jī)的速度調(diào)節(jié)等主要關(guān)鍵技術(shù)。電機(jī)調(diào)速的原理框圖如圖2所示。

圖2 電機(jī)調(diào)速原理框圖

2 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)

當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，要無(wú)時(shí)無(wú)刻的讀取轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，并且與參考電壓進(jìn)行比較。STC15W4K56S4單片機(jī)具有A/D觸發(fā)采集功能。因此通過(guò)調(diào)用控制器自身的外設(shè)進(jìn)行過(guò)零點(diǎn)比較來(lái)實(shí)現(xiàn)采集。這類(lèi)方式叫做為軟件過(guò)零比較法。

功率管工作在不同的狀態(tài)下，采集到的反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)的大小也是不一樣的,在功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)采集：在過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻C相端電壓與中性點(diǎn)電壓相等因此，需要將中性點(diǎn)電壓作為參考電壓。主供電電壓，在AB導(dǎo)通時(shí)，中性點(diǎn)電壓等于二分之一的主供電電壓值。故反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)選擇二分之一的主供電電壓值作為比較值。

通過(guò)控制器自帶的ADC檢測(cè)端口來(lái)作為反電動(dòng)勢(shì)的采集器，根據(jù)電路圖設(shè)置P1.3、P1.4、P1.5這三個(gè)I/O口來(lái)作反電動(dòng)勢(shì)采集輸入口，利用控制的內(nèi)部比較器CMP來(lái)做中心點(diǎn)的參考電壓比較端口因此設(shè)計(jì)P5.4做中心點(diǎn)電壓的輸入口。當(dāng)轉(zhuǎn)子位置確定后需要延時(shí)30°的電角度。轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路圖如圖3所示，轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)流程圖如圖4所示。

圖3 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路圖

圖4 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)流程圖

3 換相控制

本次設(shè)計(jì)換相控制采用的方法是暴力換相，單片機(jī)在檢測(cè)到過(guò)零事件后，不需要延時(shí)等待轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)30°，直接執(zhí)行換相。這方法其實(shí)很早由德國(guó)MK在電調(diào)程序所創(chuàng)造。這種換相方法也是可以行得通的，唯一的缺點(diǎn)就是會(huì)損失一些效率。只有第一次通電時(shí)需要間隔30度，隨后的每次通電時(shí)間間隔都應(yīng)該是60°，轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)一周就需要重新改變6次通電順序。換相流程如下圖5所示。

圖5 換機(jī)

4 獨(dú)立按鍵設(shè)計(jì)

為了節(jié)省不必要的浪費(fèi)，將采用一鍵多功能的方式來(lái)完本次對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的控制。前面說(shuō)過(guò)要完成對(duì)電機(jī)的啟動(dòng)與停止，改變電機(jī)轉(zhuǎn)子的運(yùn)行方向，調(diào)節(jié)電機(jī)的速度。所這些操作都將同獨(dú)立按鍵來(lái)完成。為了實(shí)現(xiàn)這么多功能本人將為這四種功能定義出不同的ID號(hào)，當(dāng)無(wú)刷直流電機(jī)啟動(dòng)時(shí)ID=0；當(dāng)無(wú)刷直流電機(jī)反正時(shí)ID=1；當(dāng)無(wú)刷直流電機(jī)停機(jī)時(shí)ID=2；當(dāng)無(wú)刷直流電機(jī)需要加速時(shí)ID=3；當(dāng)無(wú)刷直流電機(jī)需要減少時(shí)ID=4。顯示只需要每次按下K1時(shí)，分別給出不同的ID號(hào)本人就能實(shí)現(xiàn)本人的任務(wù)。同時(shí)還需要一個(gè)獨(dú)立按鍵來(lái)完成對(duì)PWM的調(diào)節(jié)來(lái)給變速度的快與慢。下面給出有關(guān)獨(dú)立按鍵功能設(shè)計(jì)的流程圖如圖6所示。

圖6 流程圖

5 結(jié)語(yǔ)

本課題詳細(xì)介紹了直流無(wú)刷電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框架以及設(shè)計(jì)流程圖，詳細(xì)地描述了控制板中主要電路的組成及其設(shè)計(jì)原理，主要是介紹了控制無(wú)刷電機(jī)的主程序和工作流程圖，針對(duì)反相電動(dòng)勢(shì)定位轉(zhuǎn)子、按鍵調(diào)速、電機(jī)三步啟動(dòng)法、電機(jī)換相等控制流程。并且對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行了調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)了無(wú)刷直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)邏輯控制正確，運(yùn)行時(shí)控制平穩(wěn)可靠，達(dá)到了原本的設(shè)計(jì)需要。