基于ATmega48的三相無刷電機(jī)控制方法

當(dāng)控制器工作時(shí)，可根據(jù)霍爾傳感器檢測到電機(jī)轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位置，依照定子繞組決定開啟或關(guān)閉功率晶體管的順序，使電流依序流經(jīng)電機(jī)線繞組，以產(chǎn)生順向或逆向的旋轉(zhuǎn)磁場，并與轉(zhuǎn)子的磁鐵相互作用，使電機(jī)順時(shí)或逆時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到霍爾傳感器檢測出另一組信號的位置時(shí)，再開啟下一組功率晶體管，如此循環(huán)，電機(jī)就能依據(jù)同一方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，直到控制器決定使電機(jī)轉(zhuǎn)子停止時(shí)，則關(guān)閉功率晶體管；決定使電機(jī)轉(zhuǎn)子反向時(shí)，則開啟功率晶體管，但順序相反。PWM是決定電機(jī)轉(zhuǎn)速快或慢的方式，如何產(chǎn)生PWM是實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控制速度的核心。
圖2中的開關(guān)器件采用MOSFET，它們是不能在關(guān)斷瞬間切換的。如果UH和UL是反向信號，那么，在同一時(shí)刻，一個(gè)開關(guān)器件導(dǎo)通，另外一個(gè)開關(guān)器件截止。在這段過渡時(shí)期，會(huì)有一個(gè)短暫的時(shí)間，其中一個(gè)開關(guān)器件并未完全截止，而另一個(gè)也是導(dǎo)通的，這樣會(huì)使電源與地直接連接，使得大電流流經(jīng)晶體管。在工程應(yīng)用中必須避免這種情況，因?yàn)槿綦娐分袥]有必要的硬件保護(hù)，極有可能損壞驅(qū)動(dòng)裝置。因此，在控制電路中，每個(gè)PWM過渡期都應(yīng)增加死區(qū)時(shí)間。要求在一個(gè)很小的時(shí)間內(nèi)，上臂開關(guān)和下臂開關(guān)都不導(dǎo)通，即產(chǎn)生帶死區(qū)的PWM信號。
圖3示出采用ATmega48形成帶死區(qū)時(shí)間的PWM信號原理。ATmega48中定時(shí)器／計(jì)數(shù)器的雙斜率模式可產(chǎn)生帶死區(qū)時(shí)間的PWM信號，它能產(chǎn)生一個(gè)關(guān)于B0TTOM對稱的波形。圖3中三角線表示雙斜率相位修正模式下定時(shí)器／計(jì)數(shù)器T0的計(jì)數(shù)值。在向上計(jì)數(shù)時(shí)，當(dāng)計(jì)數(shù)值與沒定值匹配時(shí)，輸出引腳OCOA清0；在向下計(jì)數(shù)時(shí)，當(dāng)計(jì)數(shù)值與設(shè)定值匹配時(shí)，輸出引腳OCOA置l。輸出引腳OCOB也采用同樣的設(shè)置。PWM占空比則通過輸出比較寄存器OCROA和輸出比較寄存器OCROB來設(shè)置；A，B兩路PWM相位的輸出相反。當(dāng)設(shè)置的兩個(gè)輸m端比較值相同時(shí)，這兩個(gè)PWM的輸出互補(bǔ)。

為了在上臂開關(guān)與下臂開關(guān)切換時(shí)插入死區(qū)時(shí)間，必須改變0CROB和OCROA的比較值，兩者之差值為插入的死區(qū)時(shí)間。如果3個(gè)計(jì)時(shí)／計(jì)數(shù)器都采用同樣的設(shè)置，就可產(chǎn)生3對帶死區(qū)的PWM波形，但必須保證PWM的輸出是同步的。當(dāng)采用8位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器產(chǎn)生2路具有不同比較值的PWM信號時(shí)，其最大設(shè)定值為255。若采用16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，則必須設(shè)定為8位相位修正PWM模式。此時(shí)，PWM的基本頻率可由下式確定：

式中：fCPU為CPU的頻率。
無刷直流電機(jī)常采用三相正弦驅(qū)動(dòng)方式。常用的方法是把一個(gè)正弦波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，通過程序查表輸出所需的正弦驅(qū)動(dòng)信號。由于3個(gè)正弦電壓之間的相位差為120°，因此可以采用一個(gè)正弦波形移位產(chǎn)生所有的正弦驅(qū)動(dòng)信號。圖4給出各相驅(qū)動(dòng)信號的產(chǎn)生機(jī)制和換相時(shí)序。圖中Hl，H2，H3為霍爾傳感器的輸出狀態(tài)；S1～S6為波形產(chǎn)生的步驟；虛線為相位切換波形；實(shí)線為輸出的正弦驅(qū)動(dòng)信號。圖5給出用于控制器的換相控制程序設(shè)計(jì)流程。

4 結(jié)語
無刷直流電機(jī)的功率因數(shù)高，又無轉(zhuǎn)子損耗，因此用于無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器大都采用電壓源型PWM控制。由于三相無刷直流電機(jī)借助ATmega48單片機(jī)進(jìn)行控制．且通過軟件實(shí)現(xiàn)了帶死區(qū)的PWM、霍爾傳感器的換相處理、正弦驅(qū)動(dòng)信號的產(chǎn)生和電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，因而所需的外圍器件少，成本低，并且還可提高系統(tǒng)的可靠性。