三相無刷直流電機控制系統

摘要：本文首先介紹了三相無刷直流電機在國內外的發展及其控制系統的研究現狀，論述了三相永磁無刷直流電機的構成、運行原理、特性分析和其轉子位置信號的檢測方法;然后設計了控制系統的硬件電路及相應軟件。
關鍵詞：三相無刷直流電機；Atmega8L單片機； PID閉環控制

Abstract： The paper firstly introduced the study status of permanent magnet brushless DCmotor in home and abroad, and then discussed its structure, operation principles,characteristics as well as its rotor position signal detection methods; secondly,designed the control system‘s hardware and software accordingly。
Keywords：Three phase BLDC motor；Atmega8L micro-c； PID closed-loop control

1引言
無刷直流電機是近幾年來小電機行業發展最快的品種之一，隨著視聽產品小、輕、薄化和家電產品的靜音節能化以及豪華型轎車需求量增多，無刷直流電動機需要量迅速增加；無刷直流電機用電子換向替代了電刷和換向器，具有高可靠、高效率、壽命長、調速方便、低噪音等優點。國內近年來在無刷直流電機的設計及控制方面有很多的研究，但與國外成熟的產品相比還有很多地方值得提高，并且很多無刷直流電機生產商都沒有給出具體的控制方案，因此在無刷直流電機控制方面的研究是非常有必要的[1]。
由于無刷直流電機具有體積小、重量輕、效率高、調速性能好、轉動慣量小、沒有勵磁損耗等問題，因此在各個領域具有廣泛的應用前景。一方面，無刷直流電機與其他異步電機相比具有明顯的優勢如反饋裝置更簡單、功率密度更高、輸出轉矩更大、并且電機和逆變器各自的潛力得到充分的發揮，因此無刷直流電機的應用和研究得到了前所未有的重視[2]。據資料統計統計表明無刷直流電機的使用每年以較高比例增長。另一方面無刷直流電機與有刷直流電機相比有更多的優點如電機本體結構簡單、運行時無火花、電磁干擾小，無噪聲等，因此具備廣泛應用前景。
2. 系統硬件設計
2.1三相無刷直流電機硬件總體構架
本控制系統硬件主要由控制電路、驅動電路、顯示電路、RS485接口電路組成，如圖2-

由永磁無刷直流電機運行原理可以知道，永磁無刷直流電機的平均工作電流與轉速成反比例函數關系，且空調電機帶的風葉負載是恒定，也即轉矩隨轉速成線性關系，因此控制無刷直流電機的電磁轉矩也可以通過控制轉速來實現[3]。本系統是速度閉環系統。霍爾位置傳感器的位置信號經信號處理后送專用驅動芯片后產生一個速度脈沖信號經單片機處理轉換成轉速，再運用增量式PI算法，得到PWM控制信號經過光禍隔離電路驅動專用集成驅動芯片閉環控制轉速。同時，單片機還監控控制系統的運行狀態，當系統出現短路、過流、過壓等故障時，單片機將封鎖PWM輸出信號，使電機停機，并通過LED電路顯示故障。由于客戶對控制系統的需求不同，本系統設計的各部分在保持相互獨立性的同時，又留好相應的接口以便構成一個完整的系統。
2.2控制電路
本系統主硬件控制電路由控制由AtmegaBL單片機、PWM信號產生及處理電路、電流檢測電路、轉速檢測電路、隔離電路及接口電路組成。如圖2-2所示。

PWM產生了之后還要經過處理才能得到想要輸出的輸出信號。ATmegaBL產生的PWM信號通過光電耦合在P521的3腳產生同周期的PWM信號經分壓濾波之后輸出一個0到6V的用于驅動電路的調速電壓，圖中穩壓二極管使P521的4腳穩到9V, P521的3腳的PWM信號經兩級RC濾波之后變得平滑，P521起到了主控電路與驅動電路電氣隔離作用。
3. 系統軟件設計
本控制系統利用C語言，采用模塊化、結構化編程。模塊化編程即:將一個大程序分成若干個小模塊，各個模塊保持相對的獨立性，模塊之間只靠少量的出之口參數相聯系，這樣各個程序模塊分別設計，從而使程序的調試、修改都變得比較容易;結構化編程即:各個子程序之間使用良好的轉移和調用，這個各個模塊可有效地組合成一個整體，使流程明確地從一個程序模塊轉移到下一個程序模塊。
本控制系統軟件設計采用前后臺系統，前后臺系統即一個死循環程序加多個中斷服務子程序組，主程序初始之前應該先關所有中斷及看門狗定時器，以保證初始化時不受中斷程序及系統復位成，任務比較多時則需要用實時打操作系統（RTOS），這樣單片機的MPU使用率才會得以提高，各任務才能實時按預期運行。本控制系統軟件包括主程序及中斷服務程序兩部分。主程序主要由系統初始化、轉子轉速計算及轉速PID閉環控制組成，主程序完成大部分的功能任務;中斷程序主要對中斷事件進行檢測并通知主程序進行相應處理、完成必要的實時性功能，這樣做的目的是使中斷不占用太多的CPU時間，使程序各部分功能能夠可靠地運行，本控制系統的中斷程序主要用來串行中斷接收上位機發來的轉速設定值、定時中斷檢測電流及顯示轉速值及相關故障。本軟件設計的程序如圖3-1所示

I/0口初始化主要是設置端口是輸入還是輸出、輸出的初始值、是否要上拉電阻;A/D初始化主要設置所要AD轉換器的通道、模擬參考電壓以及時鐘頻率;Max7219的初始化主要是對內部亮度、譯碼方式、掃描位數等寄存器設置:串口初始化設置為多機通信方式、波特率為9600bit/s, 1位起始位、9位數據位、1位停止位;AtmegaBL有三個定時器，T0, T2為8位，T1為16位[4-5]。本控制系統中TO用于產生定時2秒定時中斷信號，T2用于產生用戶設定速度相對應的PWM波信號，Tl用于捕捉FG脈沖信號，從而計算電機轉速。對上述量設置完了之后再開中斷及看門狗，以響應中斷服務程序及以防程序跑飛從而復位重新運行。
參考文獻
[1] 張琛．無刷直流電動機原理及應用（第二版）．北京：機械工業出版社2004
[2] 鄧星鐘．機電傳動控制．武漢：華中科技大學出版社2001
[3] 溫照方．電機與控制．北京：北京理工大學出版社2004
[4] 胡漢才．單片機原理及接口技術．北京：清華大學出版社1996
[5] 周謄琴．計算機控制系統。西安：西北工業大學出版社1998