基于ATmega8的無刷直流電機(jī)電調(diào)的設(shè)計

摘 要 本文通過以ATmega8單片機(jī)為核心，分析了無刷直流電機(jī)的原理，從硬件和軟件兩個方面闡述了無刷直流電機(jī)的電調(diào)的設(shè)計，其中硬件包含了電流的檢測、電機(jī)換相、電池電壓檢測、反電勢過零檢測，軟件主要完成了系統(tǒng)程序、場效應(yīng)管的自檢程序、反電勢檢測程序、以及PPM解碼程序。經(jīng)過測試該電調(diào)能夠滿足系統(tǒng)的設(shè)計需求。

【關(guān)鍵詞】ATmega8 無刷電機(jī) 電調(diào)

筆者在指導(dǎo)學(xué)生課外航模興趣小組的過程中，發(fā)現(xiàn)無刷直流電機(jī)電調(diào)的使用比較頻繁，而且很多成品電調(diào)不能滿足設(shè)計需要，所以指導(dǎo)學(xué)生完成了此電調(diào)的設(shè)計，該電調(diào)可以直接與無線遙控器相連，通過測試性能穩(wěn)定，以下是該電調(diào)設(shè)計中的原理和軟硬件系統(tǒng)。

1 無刷直流電機(jī)的原理

在點與磁的轉(zhuǎn)換過程中主要有三個基本原理，左手定則、右手定則、安培定則。左手定則用來判斷在磁場中載流導(dǎo)體的受力方向，右手定則用來判斷切割磁感線的導(dǎo)體產(chǎn)生的電流方向，安培定則用來判斷磁感線的環(huán)繞方向，無刷電機(jī)相關(guān)參數(shù)的判斷和程序的設(shè)計基礎(chǔ)就是以上三個基本原理。

本系統(tǒng)電調(diào)的設(shè)計是基于外轉(zhuǎn)子無刷直流電機(jī)設(shè)計的，該電機(jī)的KV值為1000，其采用的結(jié)構(gòu)是12繞組14極（即7對極）。電機(jī)換相的時機(jī)只取決于轉(zhuǎn)子的位置，在該系統(tǒng)的設(shè)計中采用的是三相的感生電動勢的方法來判斷定子的位置，該方法的優(yōu)點是不需要在系統(tǒng)中增加相應(yīng)的器件，缺點是電機(jī)啟動時可控性較差。電機(jī)的調(diào)速是通過直流電壓來控制，單片機(jī)通過用PWM方式來控制電機(jī)的輸入電壓，通過PWM占空比的變化來轉(zhuǎn)換為不同大小的等效電壓。

2 電調(diào)硬件電路的設(shè)計

2.1 電流檢測電路

電流檢測部分應(yīng)用一段阻值大小為0.01歐姆的導(dǎo)線，經(jīng)過MOSFET和電機(jī)的電流全都從它那里經(jīng)過導(dǎo)線而流向GND，通過導(dǎo)線的電流和電阻的阻值相乘從而得到了產(chǎn)生的電壓值大小，經(jīng)過電阻和電容器進(jìn)行一階低通濾波，最后接入ATmega8的ADC6通道，通過對于電流值大小的判斷實現(xiàn)了對于電流值檢測功能。

2.2 換相控制電路

通過6個功率場效應(yīng)管和一些外圍電阻和三極管構(gòu)成了系統(tǒng)的三相六臂全橋電路，其中6個場效應(yīng)管中有3個是P型管，型號為IR公司的IRFR5305，3個是N型管，使用的型號是IR公司的IRFR1205。通過ATmega8的PWM信號來控制三相全橋上橋臂柵極的通斷，從而形成了一個方波進(jìn)行無刷電機(jī)的三相供電。通過ATmega8的I/O口直接控制下橋臂柵極驅(qū)動信號，具有導(dǎo)通與截止兩種狀態(tài)。通過對于場效應(yīng)管額定參數(shù)的判斷，當(dāng)柵極電壓為5V時，場效應(yīng)管允許的導(dǎo)通電流僅為25A左右，能夠滿足系統(tǒng)需求。

2.3 電池電壓檢測電路

通過一個電阻分壓網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對于電池電壓的檢測。在該電路中電源采用的鋰電池接到VCC端，鋰電池負(fù)極接到該分壓網(wǎng)絡(luò)的接地端，ATmega8的ADC7通道接U_BAT端，高頻波紋的影響的消除通過電容實現(xiàn)。電池電壓變化，通過U_BAT端就能及時的判斷出來。

2.4 反電勢過零檢測電路

反電動勢檢測電路設(shè)計中，選擇4個點的電壓值進(jìn)行判斷，首先選擇一個中間點其標(biāo)注為N點，其余點分別為A、B、C三個的電壓，其中為了簡化電路的設(shè)計，打開ATmega8的復(fù)用功能，將A、B、C點通過一個分壓網(wǎng)絡(luò)輸入到ATmega8的AIN0引腳，其電壓的大小就是中間點電壓值N，然后將A、B、C三個點形成的負(fù)向輸入端可以根據(jù)ATmega8的ADC多工選擇寄存器的配置而選擇單片機(jī)的ADC0、ADC1、ADC2三個引腳，從而通過電壓值的比較判斷出各相的過零事件。

3 電調(diào)軟件系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 無刷電機(jī)啟動程序

系統(tǒng)加電啟動之后首先進(jìn)行電池電壓的檢測，延時2秒鐘，再一次的進(jìn)行電池電壓的檢測，當(dāng)電池電壓正常的時候，進(jìn)行系統(tǒng)控制信號的檢測，當(dāng)控制信號沒有時再一次進(jìn)行電池電壓的檢測。

3.2 MOSFET場效應(yīng)管的自檢程序

單片機(jī)初始化之后，需要進(jìn)行MOSFET場效應(yīng)管的自檢，首先打開A相的上臂的MOS管，打開B相，給三相六臂全橋驅(qū)動以較小的PWM值，然后系統(tǒng)充電30S，判斷系統(tǒng)是否獲得了穩(wěn)定的反向電動勢，如果獲得了則系統(tǒng)退出啟動程序，如果沒有獲得則換相通電14/15的上次通電時間，讓后充電30S，繼續(xù)判斷是否獲得了反向電動勢。

3.3 電機(jī)反電勢過零檢測啟動程序

電機(jī)反電勢過零的檢測需要將系統(tǒng)通電時間足夠長，然后進(jìn)行換相，在程序中給PWM賦值4，通過PWM信號值加1，通電時間減少同時三相六狀態(tài)輪詢，然后進(jìn)行電流檢測，當(dāng)電流檢測如果不正常，關(guān)閉場效應(yīng)管報警，系統(tǒng)顯示故障，電流檢測正常則進(jìn)行電機(jī)的第三相反電勢檢測，如果檢測不正常則循環(huán)到三相六狀態(tài)進(jìn)行輪詢，如果第三相反電勢檢測正常則電機(jī)啟動成功。

3.4 PPM解碼程序的設(shè)計

程序的設(shè)計通過ATmega8的定時器功能來實現(xiàn)，通過定時器T1的初始化設(shè)置上升沿觸發(fā)，捕捉中斷的功能開啟，指令信號的獲取是通過檢測給定頻率的PWM信號的占空比實現(xiàn)的。如果PPM信號頻率為50Hz，停轉(zhuǎn)時的脈寬值為1ms，最大值運轉(zhuǎn)值為2ms，其間的各點按比例換算。

4 小結(jié)

本文實現(xiàn)了基于ATmega8的無刷直流電機(jī)電調(diào)的設(shè)計，硬件電路的設(shè)計實現(xiàn)了對于系統(tǒng)電流的檢測、電機(jī)換相的控制、電池電壓的檢測、反電勢過零的檢測，軟件的設(shè)計主要實現(xiàn)了無刷電機(jī)的啟動程序，MOSFET場效應(yīng)管的自檢程序設(shè)計、電機(jī)反電勢過零檢測啟動程序設(shè)計、PPM解碼程序的設(shè)計。

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作者簡介

戚偉（1982-），男，碩士學(xué)位?，F(xiàn)為江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院徐州財經(jīng)分院講師。研究方向為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控。

作者單位

江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院徐州財經(jīng)分院 江蘇省徐州市 221008