基于PIC16F886的無刷直流電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)*

鄧方雄，汪 洋

(湖北科技學(xué)院，湖北 咸寧 437100)

無刷直流電機(jī)(brushless DCmotor)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、出力大和良好的調(diào)速性能，在工業(yè)領(lǐng)域中得到了日益廣泛的應(yīng)用［1］．無刷直流電機(jī)的這個(gè)特性正好滿足電動(dòng)汽車的運(yùn)行需要，目前大功率車用無刷直流電機(jī)的使用還不是很普遍，但中小功率的無刷直流電機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電動(dòng)摩托車，小型旅游觀光車等功率需要較小的車型上．無刷直流電機(jī)的控制不像有刷直流電機(jī)控制簡(jiǎn)單，無刷直流電機(jī)的控制驅(qū)動(dòng)器大量使用了大功率的電力電子元件，這些大功率的電子元件需要可靠的控制才能夠穩(wěn)定地工作，同時(shí)還需要很完善的保護(hù)電路，保證控制驅(qū)動(dòng)器在極端情況下也不易損壞．目前有很多的研究人員對(duì)無刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了很多控制電路，控制軟件，產(chǎn)生了很多的控制算法．常用的有 PID控制算法，模糊控制算法等［2～3］．本文設(shè)計(jì)了一種額定電壓48V，額定功率5KW 的無刷直流電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器，這個(gè)控制器采用模糊自適應(yīng)控制算法，經(jīng)過試驗(yàn)，達(dá)到了預(yù)期的效果．

1 驅(qū)動(dòng)控制器硬件電路設(shè)計(jì)

1．1 驅(qū)動(dòng)控制器總體設(shè)計(jì)

無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的總體框圖如圖1所示，驅(qū)動(dòng)控制器以PIC16F886微控制器為核心．PIC16F886是美國(guó)微芯公司生產(chǎn)的一種新型低價(jià)格高性能的微處理器，本控制器工作溫度范圍寬，抗干擾性能好，并自帶多路10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器和多個(gè)外部中斷源，具有10位分辨率的PWM驅(qū)動(dòng)引腳，這些特性能夠滿足無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的處理精度和處理速度要求．

本控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的無刷直流電機(jī)自身具有霍爾元件，能夠?qū)D(zhuǎn)子的位置進(jìn)行檢測(cè)，霍爾元件輸出的信號(hào)還可以用于速度的檢測(cè)．本設(shè)計(jì)選用的無刷直流電機(jī)額定工作電壓為DC48V，額定功率為5KW．

圖1 驅(qū)動(dòng)控制器總體框圖

1．2 系統(tǒng)供電電路

無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的供電采用48V的鉛酸蓄電池組供電，控制系統(tǒng)需要15V的直流電源為功率場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路供電和5V直流電源為控制系統(tǒng)中的微控制器供電．本設(shè)計(jì)采用耐高壓的LM2576HV進(jìn)行48V到15V的轉(zhuǎn)變，LM2576是一種開關(guān)型電源轉(zhuǎn)換芯片，能夠承受3A的額定電流，自身功耗極小，能夠滿足本控制系統(tǒng)的要求．由于以微控制器為主的電路功耗較小，所以采用線性穩(wěn)壓芯片LM7805將15V直流電源轉(zhuǎn)換為5V直流電源．供電電路如圖2所示．

圖2 系統(tǒng)供電電路

1．3 控制器核心電路

以PIC16F886微控制器為核心的控制電路如圖3所示．圖中運(yùn)放選用型號(hào)為L(zhǎng)M358，這片芯片中包含有兩個(gè)獨(dú)立的可以單電源供電的運(yùn)放A和運(yùn)放B．圖中運(yùn)放A工作在比較器方式，反向輸入端為一個(gè)經(jīng)過分壓電阻獲得的穩(wěn)定電壓，同向輸入端為主電路中的電流反饋對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，當(dāng)電流反饋值大于設(shè)定值后，運(yùn)放輸出高電平，這個(gè)高電平會(huì)關(guān)閉功率場(chǎng)效應(yīng)管的驅(qū)動(dòng)電路，避免場(chǎng)效應(yīng)管因過流而損壞．同時(shí)該信號(hào)還被微控制器的中斷接收，微控制器在接收到該信號(hào)后，會(huì)在程序內(nèi)關(guān)閉所有的輸出，并給出過流的報(bào)警信號(hào)．

圖3 驅(qū)動(dòng)控制器核心電路

運(yùn)放B工作在同向放大方式，經(jīng)主電路中電阻分流器反饋的電流信號(hào)經(jīng)過必要的濾波后進(jìn)行放大，輸入到微處理器的引腳，經(jīng)過微處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換后獲取的數(shù)字信號(hào)作為程序控制的依據(jù)．

圖中一個(gè)五腳接頭接收電機(jī)霍爾元件位置傳感器輸出的脈沖信號(hào)，微控制器根據(jù)脈沖頻率直接獲取無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子的位置信息．微控制器根據(jù)位置信息輸出相應(yīng)的控制信號(hào)對(duì)主電路的開關(guān)管進(jìn)行開關(guān)控制，控制信號(hào)波形如圖4所示．圖中微控制器輸出的共有六個(gè)信號(hào)，從圖中所示的波形可以看出，每個(gè)信號(hào)在一個(gè)周期中有1/3的時(shí)間輸出高電平，2/3的時(shí)間輸出低電平．LIN1，LIN2，LIN3都為場(chǎng)效應(yīng)管組下橋臂的控制信號(hào)，這三個(gè)信號(hào)的相位依次相差120度電角度［4］．

HIN1和LIN1兩個(gè)信號(hào)分別接通到同一個(gè)橋臂的上下兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管組上，這兩個(gè)信號(hào)不能夠同時(shí)為高電平，避免因?yàn)閮蓚€(gè)場(chǎng)效應(yīng)管同時(shí)導(dǎo)通導(dǎo)致的同一個(gè)橋臂的導(dǎo)通短路．HIN2和LIN2，HIN3和LIN3的原理相同．實(shí)際中這六個(gè)信號(hào)按什么電平的形式出現(xiàn)，由直流電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置決定，這個(gè)位置信號(hào)由霍爾元件傳感器獲得．

為了穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，提高調(diào)速的及時(shí)性，控制上橋臂開關(guān)管的信號(hào)采用脈寬調(diào)制，控制下橋臂的開關(guān)管不采用脈寬調(diào)制．工作過程中可以根據(jù)無刷直流電機(jī)位置傳感器反饋的位置信號(hào)，有規(guī)律的控制開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)．

圖4 微控制器控制波形

1．4 電機(jī)控制器主電路設(shè)計(jì)

圖5 驅(qū)動(dòng)控制器主電路

圖5為微控制器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)主電路．圖中功率開關(guān)管采用功率場(chǎng)效應(yīng)管組，場(chǎng)效應(yīng)管具有通態(tài)電阻小，開關(guān)速度快的特點(diǎn)．根據(jù)電機(jī)的額定電壓和額定電流的大小，本設(shè)計(jì)中選用額定電壓100V，額定電流70A的場(chǎng)效應(yīng)管，由于單個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管的額定電流不能夠滿足條件，所以只能夠采用多管并聯(lián)的方式來實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)采用5只管并聯(lián)的方式來提高導(dǎo)電能力．驅(qū)動(dòng)控制器中采用分流器對(duì)主電路中流過的電流進(jìn)行采樣，本設(shè)計(jì)采用額定電流100A輸出電壓75mv的康銅分流器，由于分流器輸出的采樣信號(hào)比較微弱，所以經(jīng)過圖3所示的放大電路放大后輸送給微控制器和開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路．

1．5 開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

功率場(chǎng)效應(yīng)管的驅(qū)動(dòng)電路的好壞直接決定了控制器的可靠性，本設(shè)計(jì)中采用功率開關(guān)管的專用驅(qū)動(dòng)芯片IR2110S驅(qū)動(dòng)．該芯片內(nèi)部集成了電壓自舉電路，大大簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)．同時(shí)該芯片的SD引腳在接收到高電平信號(hào)后，關(guān)閉所有驅(qū)動(dòng)信號(hào)［4］，這個(gè)特點(diǎn)保證了控制電路能夠及時(shí)準(zhǔn)確的保護(hù)開關(guān)管．SD引腳連接圖3輸出的保護(hù)信號(hào)．開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示．

圖6 開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路

2 驅(qū)動(dòng)控制器控制軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的控制全部由軟件實(shí)現(xiàn)，軟件主要完成的功能為電機(jī)的轉(zhuǎn)速、剎車、正反轉(zhuǎn)控制，飛車、欠壓、過流保護(hù)，還要實(shí)現(xiàn)控制器與儀表板的通信等．

2．1 軟件控制原理

為了保證無刷直流電機(jī)的穩(wěn)定工作，需要對(duì)無刷直流電機(jī)進(jìn)行反饋控制［5～6］，本系統(tǒng)采用電流反饋的負(fù)反饋控制方式，控制方案如圖7所示，控制環(huán)給定值為設(shè)定電流，反饋值為無刷直流電機(jī)的實(shí)際電流，給定值與反饋值之間的差值進(jìn)行PID調(diào)節(jié)后作為PWM的占空比值．采用電流負(fù)反饋可以保證電機(jī)在堵轉(zhuǎn)和低速運(yùn)行時(shí)驅(qū)動(dòng)電路元件的安全性．

圖7 無刷直流電機(jī)控制方框圖

2．2 程序控制流程

本控制軟件需要完成多個(gè)方面的控制，其中最主要的是完成功率場(chǎng)效應(yīng)管的控制，即給出每個(gè)功率管的控制波形．由于PIC16F886控制芯片內(nèi)部帶有功能完備的PWM發(fā)生電路，控制軟件中只需要給出PWM的占空比即可，具體控制哪幾組開關(guān)管導(dǎo)通，這個(gè)需要根據(jù)無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置決定，相應(yīng)的控制在中斷程序中實(shí)現(xiàn)，PID調(diào)節(jié)子程序主要是進(jìn)行數(shù)值PID控制，計(jì)算得出需要的占空比值．

控制軟件在控制過程中，還要對(duì)蓄電池的電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，當(dāng)蓄電池的電壓低于一定的數(shù)值時(shí)，需要降低控制過程中的最大電流值，以達(dá)到保護(hù)蓄電池的目的．控制過程中，控制軟件還需要對(duì)電流過大的情況作出處理，當(dāng)占空比設(shè)定為最小值后，還有較大的電流，這個(gè)時(shí)候就出現(xiàn)了過流，需要關(guān)斷所有的功率開關(guān)管，以保護(hù)電路．

控制過程中還需要對(duì)速度進(jìn)行測(cè)量，速度的測(cè)量方法是計(jì)算一定時(shí)間內(nèi)，電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出脈沖的個(gè)數(shù)，如果脈沖個(gè)數(shù)多于電機(jī)正常轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的個(gè)數(shù)的時(shí)候，說明電機(jī)已經(jīng)出現(xiàn)了超速的現(xiàn)象，需要關(guān)閉控制信號(hào)的輸出．

圖8 軟件控制流程圖

2．3 中斷程序設(shè)計(jì)

PIC16F886控制芯片具有多種中斷源，其中本控制軟件使用了RB口電平變化中斷，定時(shí)器0中斷，AD轉(zhuǎn)換中斷，串行口發(fā)送和接收中斷．本控制軟件中，所有的中斷源都設(shè)定到一個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，進(jìn)入中斷系統(tǒng)后，軟件會(huì)按圖9所示的過程依次查詢相應(yīng)的中斷標(biāo)志位，查看中斷是否發(fā)生，如果中斷發(fā)生，就執(zhí)行相應(yīng)的中斷子程序．

RB端口能夠測(cè)量端口電平的變化，當(dāng)端口電平變化，說明無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子已經(jīng)轉(zhuǎn)到了一個(gè)新的位置，微處理器需要根據(jù)當(dāng)前的位置，改變場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通狀態(tài)，如圖4所示．采用中斷處理的好處是能夠及時(shí)改變場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通狀態(tài)，否則，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向與定制磁場(chǎng)方向反向，定制電流變大，對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管產(chǎn)生沖擊，如果長(zhǎng)時(shí)間接收這種沖擊，功率管很容易損壞．

圖9 中斷程序流程圖

3 系統(tǒng)調(diào)試和結(jié)論

表1 負(fù)載測(cè)試

從系統(tǒng)的調(diào)試數(shù)據(jù)來看，本控制器能夠按照預(yù)先的設(shè)定對(duì)電流對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，在設(shè)定電流不變，負(fù)載不變的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速比較穩(wěn)定，這說明，軟件在進(jìn)行PID控制的時(shí)候，控制時(shí)間和PID的參數(shù)選擇比較合適．

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