基于單片機(jī)的永磁無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓武君

遼寧錦州渤海大學(xué)工學(xué)院

基于單片機(jī)的永磁無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓武君

遼寧錦州渤海大學(xué)工學(xué)院

本文設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的永磁無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，主要對(duì)系統(tǒng)的硬件部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)。系統(tǒng)選用低功耗、高效率的單片機(jī)MSP430F149作為電機(jī)的控制器。對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能及工作原理進(jìn)行描述，主要研究了無(wú)刷電機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程。

永磁無(wú)刷直流電機(jī) MSP430f149 硬件設(shè)計(jì)

1 引言

永磁無(wú)刷直流電機(jī)(Permanent Magnet Brushless DC Motor, PMBLDCM)是強(qiáng)大的現(xiàn)代科技發(fā)展的推動(dòng)下的產(chǎn)物，是一種功能特性更為優(yōu)良的電動(dòng)機(jī)。它的出現(xiàn)標(biāo)志著無(wú)刷直流電機(jī)（Brushless DC Motor，BLDCM）的誕生。其結(jié)構(gòu)與直流電機(jī)只是略有不同，無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子采用永磁材料制成的永磁體，電樞繞組放在定子上。從而使得無(wú)刷直流電機(jī)的性能較之前有了空前的提高，彌補(bǔ)了舊式直流電機(jī)的不足，滿足了市場(chǎng)對(duì)直流電機(jī)的技術(shù)要求。

2 永磁無(wú)刷直流電機(jī)簡(jiǎn)介

2.1 電機(jī)本體結(jié)構(gòu)

永磁無(wú)刷直流電機(jī)的電機(jī)本體主要組成部分有定子繞組、外殼、轉(zhuǎn)子永磁體、驅(qū)動(dòng)軸、霍爾傳感器等。由于定子上的電樞與永磁無(wú)刷直流電機(jī)相反，因而其具有固定的電樞和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，無(wú)刷直流電機(jī)的電樞繞組置于定子上，本文主要討論三相的形式。電樞繞組采用集中繞組的形式，三相繞組其在空間上通過(guò)的與此同時(shí)，與之相對(duì)應(yīng)的三相電流隨之在相對(duì)應(yīng)的空間也會(huì)形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，它的同步轉(zhuǎn)速n0與定子電流頻率f關(guān)系為：

其中Pn為電機(jī)極對(duì)數(shù)，本課題采用的是四級(jí)。鐵芯磁極是由0.5mm鋼板沖壓疊片形成，并與勵(lì)磁繞組的繞組桿的兩個(gè)終端接收兩個(gè)集電環(huán)，然后通過(guò)靜電刷和集電環(huán)相引出，其中由連接方式是NSNS樣式排列的直流勵(lì)磁電源供電。

2.2 電動(dòng)機(jī)組成

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是由電動(dòng)機(jī)本體（定子為電樞和轉(zhuǎn)子和永磁體）、位置傳感器和電子換向線路三大部分組成。圖1為電機(jī)基本組成圖，電機(jī)的運(yùn)行就是依賴圖中所示的電路部分。

圖1 電動(dòng)機(jī)的組成圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

永磁無(wú)刷直流電機(jī)的硬件部分主要涉及主電路和輔助電路的設(shè)計(jì)以及單片機(jī)的選擇。控制系統(tǒng)的控制器選用低功耗、高效率的16位單片機(jī)MSP430F149。主電路包括功率驅(qū)動(dòng)電路和逆變電路，輔助電路主要有檢測(cè)電路和保護(hù)電路，另外還有必要的鍵盤輸入電路和顯示電路。將這些電路相應(yīng)的連接到MSP430F149芯片上，即完成了硬件部分的設(shè)計(jì)。電路的作用是可讓永磁無(wú)刷直流電機(jī)正常的運(yùn)行，并且可以實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制、調(diào)速控制、換相控制。硬件系統(tǒng)總體框圖如圖2所示：

圖2 硬件控制系統(tǒng)總體框圖

3.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的控制器采用MSP430F149單片機(jī)。主電路由驅(qū)動(dòng)電路、逆變器、永磁無(wú)刷直流電機(jī)等構(gòu)成。逆變電路選擇六個(gè)IGBT搭建而成，MSP430F149控制器工作時(shí)，發(fā)出觸發(fā)脈沖，將直流電壓逆變成電機(jī)需要的交流電壓?？刂齐娐穭t由MSP430F149控制器進(jìn)行控制。在對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，要遵循控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，即輕量化，高效化以及無(wú)噪音化，功率開關(guān)器件采用的是絕緣柵雙極晶體管IGBT，可以利用IGBT的通斷控制功能，達(dá)到對(duì)輸出電壓和頻率的控制。

3.2 主電路的設(shè)計(jì)

在對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)首先設(shè)計(jì)主電路，主電路在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中起到能量交換、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作的作用，是強(qiáng)電電路。主電路部分主要是逆變電路，其功能是將接入的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)楣╇姍C(jī)工作的交流電，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制。

在對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，要遵循控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，即輕量化，高效化以及無(wú)噪音化，根據(jù)這些要求，本模塊逆變電路的功率開關(guān)器件采用的是IGBT。IGBT優(yōu)點(diǎn)眾多，開關(guān)速度快，屬于理想型電壓控制器件，開關(guān)安全區(qū)比較大，驅(qū)動(dòng)電路比較簡(jiǎn)單，適用于高頻變流裝置。

3.3 信號(hào)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

信號(hào)檢測(cè)電路主要測(cè)量永磁無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子位置等參數(shù)，作為反饋信息輸入到控制器成為控制算法的依據(jù)。在本文所研究的無(wú)刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)電流反饋閉環(huán)控制，系統(tǒng)就要求控制器可以對(duì)定子繞組中的實(shí)際三相電流進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)。直接檢測(cè)式霍爾電流傳感器工作時(shí)，若被檢測(cè)電流很大，系統(tǒng)要求磁路不能飽和，保證測(cè)量的線性度，所以設(shè)計(jì)者需要加大鐵芯截面積，這就不可避免的使得檢測(cè)裝置體積過(guò)大，不利于傳感器的應(yīng)用。可以通過(guò)LEM模塊把磁放大器、互感器、電子線路和霍爾元件組合在了一起，這種集成保證測(cè)量范圍大的同時(shí)，又擁有反應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。

本課題選用LTSR6-NP型電流傳感器，定子繞組的電流信號(hào)首先經(jīng)過(guò)電流傳感器采樣，轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。MSP430F149的AD采樣范圍是0-3.3V，而采樣獲得的電壓信號(hào)大小是0～4.5V。所以，在本課題設(shè)計(jì)的電流檢測(cè)電路中，系統(tǒng)采樣獲得的電壓信號(hào)要調(diào)制到-3～0V，利用運(yùn)算放大器可以達(dá)到要求，再經(jīng)過(guò)另一個(gè)運(yùn)算放大器，使范圍是-3~0V的電壓信號(hào)反向等比例放大到0～3V，最終，經(jīng)過(guò)二極管保護(hù)電路，信號(hào)輸入MSP430F149芯片的ADC模塊。通過(guò)12864顯示模塊顯示出來(lái)以便實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。以上就是電流檢測(cè)電路的基本工作過(guò)程。電流檢測(cè)電路如圖3所示。

圖3 電流檢測(cè)電路

3.4 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

保護(hù)電路的設(shè)計(jì)是電機(jī)控制系統(tǒng)正常運(yùn)行的的重要保障，電路保護(hù)包括電壓保護(hù)和電流保護(hù)。本課題主電路的逆變器的開關(guān)元件由高頻電力電子器件IGBT構(gòu)成，系統(tǒng)工作時(shí)，對(duì)開關(guān)元件進(jìn)行通斷操作，可以控制輸出電壓和頻率，要求定子里的正弦電流產(chǎn)生的磁通和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)實(shí)時(shí)相差90°，這就達(dá)到了矢量控制的目的。

由圖4可以看出，霍爾電流傳感器HNC025A經(jīng)整流濾波轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的電壓信號(hào)作為了保護(hù)電路的輸入，輸入信號(hào)AI_IN，即待比較電壓，它加到反相輸入端，在同相輸入端接一個(gè)電阻和滑動(dòng)變阻器以及一個(gè)5V的電源，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器WR5的值即可調(diào)節(jié)保護(hù)電路的值，當(dāng)輸入電壓AI_IN>U+時(shí)，運(yùn)放輸出信號(hào)為低電平。根據(jù)光耦作用，副邊的三極管輸入電流增大，三極管導(dǎo)通，輸出端產(chǎn)生高電平信號(hào)，經(jīng)過(guò)施密特觸發(fā)器閾值比較，最后輸出為低電平有效，實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。施密特觸發(fā)器的過(guò)流是嚴(yán)重的電路故障。圖4是電流保護(hù)檢測(cè)電路。右端輸出信號(hào)可與MSP430F149上任一引腳相連，沒有固定的連接引腳。

圖4 電流檢測(cè)保護(hù)電路

3.5 鍵盤輸入電路設(shè)計(jì)

電機(jī)的正常運(yùn)行不僅依賴于其他硬件模塊的設(shè)計(jì)，還需要一個(gè)很重要的部分，鍵盤電路?？刂齐姍C(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行不只是需要復(fù)位鍵，還需要很多可以向控制系統(tǒng)輸入運(yùn)行參數(shù)的按鍵，以便隨時(shí)掌握電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，鍵盤電路由鍵盤接口電路、鍵盤和鍵盤掃描程序組成。由于程序設(shè)計(jì)到的只有無(wú)各按鍵，因此硬件設(shè)計(jì)只需五個(gè)按鍵電路即可，鍵盤的基本工作原理是利用動(dòng)、靜觸點(diǎn)之間的接觸與斷開來(lái)實(shí)現(xiàn)按鈕兩引腳的通斷，動(dòng)靜觸點(diǎn)的接觸與斷開又手按按鈕和松開這一動(dòng)作實(shí)現(xiàn)。本電路和控制系統(tǒng)的MSP430F149的連接非常簡(jiǎn)單，彼此有相應(yīng)的引腳，直接連接即可。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)完成了永磁無(wú)刷直流電機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，研究了永磁無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論，包括永磁無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理和控制方法等，完成了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

[1]胡雙,陶桂林.永磁無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)建模研究[J].電工技術(shù)雜志,2009,08

[2]呂航,武瀟.對(duì)轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)永磁無(wú)刷直流電機(jī)的Simulink建模[J].微電機(jī),2013,01

[3]周利強(qiáng).永磁無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的研究[D].浙江大學(xué),2008

[4]莊凱.永磁無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].重慶大學(xué),2011