基于STC單片機的無刷直流電機控制系統(tǒng)設計

謝少華

（新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學院農(nóng)業(yè)工程學院，新疆 昌吉 831100）

0 引言

無刷直流電機在現(xiàn)代工業(yè)中應用越來越廣泛，開發(fā)設計性價比高，系統(tǒng)控制性能優(yōu)越。無刷直流電機控制芯片主要由單片機，F(xiàn)PGA，以及DSP等為主流，單片機由于其開發(fā)成本低，控制性能好，性價比高成為目前工業(yè)領(lǐng)域的主流。

1 無刷直流電機工作原理

以電子換向代替機械換向的無刷永磁直流電動機的基本結(jié)構(gòu)包括永磁無刷電動機本體、電子開關(guān)電路(逆變器和控制器)和轉(zhuǎn)子位置傳感器三部分。其工作原理為，M為永磁電動機本體，PS為與電動機轉(zhuǎn)子同軸連接的轉(zhuǎn)子位置傳感器，控制電路把轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測到的信號進行邏輯變換后產(chǎn)生脈寬調(diào)制的PWN信號，經(jīng)過驅(qū)動電路放大后送到逆變器各功率開關(guān)，從而使各相繞組按一定順序工作，并在氣隙中產(chǎn)生跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場，則轉(zhuǎn)子磁場受到氣隙中旋轉(zhuǎn)磁場的作用就將沿固定方向連續(xù)轉(zhuǎn)動[1-2]。

2 控制系統(tǒng)設計

2.1 控制系統(tǒng)整體方案

本文設計對象為家電風扇用無刷直流電機，電機控制器設計要求：①支持12V，80W以下，帶有霍爾傳感器的無刷直流電機；②具有電機啟、停功能；③電機轉(zhuǎn)速可以通過電位調(diào)節(jié)器進行調(diào)節(jié)；④電機速度穩(wěn)定，閉環(huán)控制，具有過流，過壓，欠壓等故障保護功能。根據(jù)控制的設計要求，系統(tǒng)主要包括四大部分，控制器、電機驅(qū)動、電機保護電路、位置傳感器。具體如圖1。

2.2 控制器設計

控制器的主要作用是根據(jù)電動機旋轉(zhuǎn)要求和霍爾轉(zhuǎn)子位置傳感器的三個輸出信號，經(jīng)過內(nèi)部芯片，霍爾的三個信號轉(zhuǎn)換為可以驅(qū)動逆變器上六個功率開關(guān)器件所要求驅(qū)動信號。控制器的另一個重要功能是根據(jù)電壓、電流和轉(zhuǎn)速等反饋模擬信號，以及隨機發(fā)出的制動信號，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換和芯片的內(nèi)部運算后，借助內(nèi)置的時鐘信號產(chǎn)生一個帶有上述各種信息的脈寬調(diào)制信號，同時，對電機反饋的過流，過壓，欠壓等故障信號進行處理，一旦接收到故障信號，進行系統(tǒng)停機，實現(xiàn)對電機的保護[3]。本文選用STC89C52單片機，是由深圳宏晶科技公司生產(chǎn)的與工業(yè)標準MCS-51指令集和輸出管腳相兼容的單片機。STC89C52功能如表1。

表1 STC89C52主要功能

STC89C52最小應用系統(tǒng)電路如圖2，它包含五個電路部分：電源電路、時鐘電路、復位電路、片內(nèi)外程序存儲器選擇電路、輸入/輸出接口電路。其中電源電路、時鐘電路、復位電路是 保證單片機系統(tǒng)能夠正常工作的最基本的三部分電路，缺一不可。

2.3 電機驅(qū)動

無刷直流電機的電機驅(qū)動采用6個IGBT管組成逆變器上的主電路，控制信號并不能直接實現(xiàn)對MOS管的控制，需要驅(qū)動電路才能實現(xiàn)其控制[4]。注意，當驅(qū)動電路副邊與主電路存在耦合時，需要使用變壓器光耦等隔離措施，采用EX840芯片驅(qū)動電路。

2.4 電機保護電路

電機的主要保護電路包括，過流保護，欠壓保護，主要采用比較原理，具體采用LM358芯片，電源電壓經(jīng)分壓后接單片機，單片機內(nèi)部設置判斷程序[5-6]。當電壓過低時給出欠壓信號，單片機輸出截止，防止由于過壓損壞器件。

2.5 位置傳感器

根據(jù)無刷直流電機工作原理可知，無刷直流電機要正常運行，需要正確的位置信號。無刷直流電機的位置傳感器主要由電磁式，光電式，磁敏式，具體比較見表2。

表2 無刷直流電機器件比較

由表2可知，磁敏式位置傳感器優(yōu)勢明顯，所以，本文選擇磁敏式位置傳感器，具體為開關(guān)型霍爾集成電路元件。

位置傳感器的基本要求：①所產(chǎn)生的開關(guān)狀態(tài)是不重復的；②每一個開關(guān)狀態(tài)所占的電角度相等；③所產(chǎn)生的開關(guān)狀態(tài)數(shù)應與電動機的工作狀態(tài)數(shù)相對應。顯然，霍爾元件的位置傳感器的個數(shù)與電機的相數(shù)及導通方式有關(guān)。一般來說，位置傳感器最少個數(shù)等于電機相數(shù)，本文電機為三相六狀態(tài)兩相導通方式，霍爾元件數(shù)為3個，安裝位置應當間隔120°的電角度。

2.6 系統(tǒng)軟件設計

單片機程序執(zhí)行按照順序掃描方式進行，因此編程應按照順序編程。定時器根據(jù)調(diào)速需求產(chǎn)生PWM信號，采用中斷方式運行，改變斬波電壓只需在對應單元寫入控制值。三相位置輸入信號經(jīng)內(nèi)部的查表算法產(chǎn)生相應邏輯換相值。剎車信號、過流信號和欠壓信號依次寫入單片機，并根據(jù)順序，進行相應的處理，輸出對應的信號[7]。

3 實驗

本文實驗樣機為12V，額定轉(zhuǎn)速為2000rpm，圖3為電機相電流波形圖，相電流圖很好的反應了無刷直流電機的基本性能，無刷直流電機依靠電子換相器進行換相，在換相時刻，會存在電流凹陷，同時會引起電流波動，由于采用的是PWM調(diào)制方式，電機在導通區(qū)會存在微弱的電流波動[8]。

再分析電機轉(zhuǎn)速，電機轉(zhuǎn)速在初始時刻有超調(diào)量，并存在一定的振蕩，但在較短的時間內(nèi)，很快達到預設的速度值，并趨于穩(wěn)定，所設計的控制系統(tǒng)有很好的動靜態(tài)性能。

4 結(jié)論

本文主闡述了基于STC單片機的無刷直流電機控制系統(tǒng)的設計方法，并就具體的硬軟件電路進行設計，并對設計的控制系統(tǒng)進行實驗，通過實驗的結(jié)果表明，基于STC單片機的無刷直流電機控制系統(tǒng)具有良好的動靜態(tài)性能，為無刷直流電機系統(tǒng)控制系統(tǒng)設計與優(yōu)化提供了依據(jù)。