基于PIC16F877A的永磁無(wú)刷直流電機(jī)的控制器設(shè)計(jì)

摘要：隨著科技的發(fā)展，對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的性能提出更高的要求。本文在研究無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型、導(dǎo)通方式的基礎(chǔ)上，以單片機(jī)PIC16F877A為核心設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)硬件電路和軟件程序，硬件電路包括電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路、PIC16F877A最小系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路、IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路和系統(tǒng)信息反饋電路，并利用MPLAB軟件編譯平臺(tái)編寫控制系統(tǒng)軟件程序。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析：可知本文所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)性能可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的可靠控制。

電動(dòng)機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的常用裝置，按照工作原理將電動(dòng)機(jī)分為直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)具有平滑穩(wěn)定的調(diào)速特性和優(yōu)良的啟動(dòng)性能，所以在需要頻繁啟動(dòng)和速度變化要求較高的場(chǎng)合如機(jī)床、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、軌道列車、和軋鋼場(chǎng)等設(shè)備上有廣泛應(yīng)用。但傳統(tǒng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)子換相過(guò)程依靠電刷和換向器直接的配合，換相過(guò)程會(huì)產(chǎn)生火花和電磁干擾，對(duì)周圍電氣設(shè)備的電磁兼容造成很大影響，同時(shí)，電刷屬于易耗器件，需要定期檢查和更換，消耗大量人力資源和原材料的浪費(fèi)。為了解決上述問(wèn)題，很多專家、學(xué)者對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)開展大量研究工作。

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)作為機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品，具有傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特性好、運(yùn)行穩(wěn)定，又具有交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，所以在部分領(lǐng)域得到初步應(yīng)用。稀土材料的發(fā)展使得無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)得到進(jìn)一步的發(fā)展，但采用稀土材料制成的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)成本過(guò)高，僅應(yīng)用在航空、航天和軍用等高科技領(lǐng)域。20世紀(jì)80年代釹鐵硼永磁材料出現(xiàn)后，大大降低了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的成本，為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)其在民用領(lǐng)域的應(yīng)用提供可能，從幾十瓦至上百瓦的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在汽車、機(jī)床、儀器儀表和石化化工等等民用領(lǐng)域初顯身手。

隨之電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的快速發(fā)展，使得電動(dòng)機(jī)技術(shù)獲得跨越性的變化，電機(jī)制作工藝和控制理論不斷成熟，關(guān)于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)研究是當(dāng)今高校和科研單位研究的熱點(diǎn)。本文在對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型、運(yùn)行過(guò)程和主回路導(dǎo)通方式研究的基礎(chǔ)上，基于PIC16F877A設(shè)計(jì)了無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，主要包括PIC16F877A最小系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路、IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路和系統(tǒng)信息反饋電路，并利用MPLAB軟件編譯平臺(tái)編寫控制系統(tǒng)軟件程序。

1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)

1.1 永磁無(wú)刷直流電機(jī)

永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)利用電與磁之問(wèn)的關(guān)系，在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上裝有永磁材料，定子上纏繞三相線圈，線圈通電時(shí)產(chǎn)生電磁場(chǎng)，電磁場(chǎng)和永磁體磁場(chǎng)之間相互作用使電機(jī)旋轉(zhuǎn)，隨之轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)三相繞組線圈換相，為電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)提供持續(xù)轉(zhuǎn)矩。永磁體采取徑向充磁的瓦形稀土永磁體。電動(dòng)機(jī)定子三相繞組采用星型連接方式，處理器檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置，定子根據(jù)微處理器發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行換相，保證電機(jī)持續(xù)旋轉(zhuǎn)。

1.2 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型

分析時(shí)對(duì)理想的永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)作如下假設(shè)：

1)電動(dòng)機(jī)定子三相繞相之間完全對(duì)稱，氣隙磁場(chǎng)為方波，定子電流和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)分布的磁場(chǎng)為對(duì)稱方波。

2)忽略電動(dòng)機(jī)齒槽、換相過(guò)程和電樞反應(yīng)等造成的影響。

3)電樞繞組在定子的內(nèi)表面上的分布方式為連續(xù)均勻的。

4)電動(dòng)機(jī)定子電流為三相對(duì)稱1 200(電角度)的矩形波，定子繞組為600相寬的集中整矩繞組。

為了減小轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生紋波，永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的氣隙磁密波形應(yīng)該和供電電流的波形相同。在理想狀態(tài)下，矩形波定子電流和相同波形的氣隙磁通相互作用，兩者相結(jié)合產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。

1.2.1 電壓方程

根據(jù)電動(dòng)機(jī)電壓平衡方程

式中，U表示三相繞組中的電壓，r表示每相繞組的電阻值，i表示運(yùn)行時(shí)每相繞組中的電流，L表示每相運(yùn)行電感，E表示每相反電動(dòng)勢(shì)。有公式(1)可得運(yùn)行時(shí)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)電壓方程：

1.2.2 轉(zhuǎn)矩方程

在電磁轉(zhuǎn)矩上無(wú)刷直流電機(jī)和普通直流電機(jī)相似，電磁轉(zhuǎn)矩和磁通、電流幅值成正比變化，即：

Te=Pn(eaia+ebib+ecic)/ωr (6)

其中，Te為電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩，Pn為電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù);ωr為電動(dòng)機(jī)的角速度;ia、ib、ic是A相、B相、C相相電流;ea、eb、ec為A相、B相、C相每相的反電勢(shì)。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(忽略轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的粘滯系數(shù))的方程可寫為：

其中，Te為額定轉(zhuǎn)矩，TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，J為電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的總和。ω為機(jī)械角速度。

1.3 主回路導(dǎo)通方式

三相半控和三相全控是無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)主回路控制方式的基本類型，無(wú)刷直流電機(jī)示意圖如圖1所示。三相半控電路采用3個(gè)功率器件控制繞組的導(dǎo)通方式，每個(gè)繞組由一個(gè)功率開關(guān)控制，一個(gè)周期只有1/3時(shí)間導(dǎo)通，另外2/3時(shí)間不通電，繞組沒(méi)有得到充分的利用。三相全控電路采用6個(gè)功率器件控制繞組的導(dǎo)通方式，同一時(shí)刻至少有兩相繞組導(dǎo)通，繞組得到充分利用，所以我們采用三相全控式電路。

在三相無(wú)刷直流電機(jī)全控式控制系統(tǒng)中，繞組導(dǎo)通方式常見(jiàn)的有兩兩導(dǎo)通方式和三三導(dǎo)通方式。采用在兩兩導(dǎo)通方式時(shí)，每個(gè)時(shí)刻都有不同橋臂的兩個(gè)功率器件導(dǎo)通，定義流人繞組的電流產(chǎn)生的力矩方向?yàn)檎齌a，則流出(另一個(gè)繞組)電流產(chǎn)生的力矩方向?yàn)樨?fù)Ta，則它們的合成力矩為3Ta，如圖2(a)所示。

采用在三三導(dǎo)通方式時(shí)，每個(gè)時(shí)刻都有不同橋臂的3個(gè)功率器件導(dǎo)通，相鄰兩次換相的電角度為600，功率器件導(dǎo)通的電角度為1  800。如果認(rèn)定流入繞組的電流產(chǎn)生的力矩方向?yàn)檎齌a，則流出(另一個(gè)繞組)電流產(chǎn)生的力矩方向?yàn)樨?fù)Ta，則它們的合成力矩為1.5Ta，如圖2(b)所示。

從上面的分析可以看出，對(duì)于三相Y接高壓斷路器無(wú)刷直流電機(jī)，為了獲得較大的輸出力矩，主回路通電方式采用兩兩導(dǎo)通方式更適合。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件的結(jié)構(gòu)

基于PIC16F877A的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示，控制系統(tǒng)分為單片機(jī)最小系統(tǒng)、控制電路和控制對(duì)象三部分，其中單片機(jī)最小系統(tǒng)是指以PIC16F877A為核心包括電源模塊、晶振復(fù)位模塊和外部擴(kuò)展模塊，控制電路包括光耦隔離電路、驅(qū)動(dòng)逆變電路、電流檢測(cè)電路、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，控制對(duì)象為永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。PIC單片機(jī)最小系統(tǒng)為單片機(jī)提供工作所需的電源、時(shí)鐘信號(hào)、復(fù)位信號(hào)、和存儲(chǔ)器擴(kuò)展?？刂齐娐房刂齐妱?dòng)機(jī)繞組在合適的位置換相、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)持續(xù)運(yùn)行，同時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)參數(shù)，保證系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

霍爾傳感器的工作原理是半導(dǎo)體器件的霍爾效應(yīng)，是無(wú)刷直流電機(jī)換相控制中應(yīng)用較多的位置傳感器。根據(jù)霍爾元件的特性不同分為線性霍爾元件和開關(guān)型霍爾元件，線性霍爾元件輸出時(shí)一個(gè)和磁場(chǎng)成正比的連續(xù)信號(hào)，常用于連續(xù)量如位移等的測(cè)量，開關(guān)型霍爾元件的輸出時(shí)一個(gè)根據(jù)磁場(chǎng)強(qiáng)弱而變化的高低電平信號(hào)，常用作無(wú)刷直流電機(jī)的位置傳感器。根據(jù)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求及安裝方便，本控制器采用鎖存型霍爾元件作為電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器。

根據(jù)電機(jī)內(nèi)部電磁場(chǎng)分布，將3個(gè)霍爾傳感器安裝在霍爾盤上，相鄰兩個(gè)之間的夾角為60°。由于在電機(jī)內(nèi)部不易安裝霍爾盤及拆卸不方便，故將其安裝在電機(jī)的外部，制作一個(gè)圓形磁鋼模擬電機(jī)內(nèi)部電磁場(chǎng)分布，霍爾元件的空間分布和輸出特性如圖4所示。當(dāng)控制系統(tǒng)工作時(shí)，霍爾元件根據(jù)磁鋼的位置輸出高低電平，主控制芯片根據(jù)高低電平信號(hào)判斷電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，調(diào)用內(nèi)部程序輸出正確的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使電機(jī)開始動(dòng)作。隨之電機(jī)轉(zhuǎn)角的變化，霍爾元件的輸出也發(fā)生變化，主控芯片根據(jù)霍爾元件的高低電平來(lái)確定IGBT的導(dǎo)通順序，使電機(jī)持續(xù)旋轉(zhuǎn)。

2.3 IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)需求，設(shè)計(jì)IGBT隔離驅(qū)動(dòng)電路是功率驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)鍵。VLA517—01R是替代EXB841的快速型IGBT集成驅(qū)動(dòng)芯片，整個(gè)電路延遲時(shí)間不超過(guò)1μs，最高工作頻率達(dá)40～50  kHz，只需外部一個(gè)20 V電源供電，內(nèi)部可產(chǎn)生一個(gè)正驅(qū)動(dòng)電壓及反向截止電壓，模塊內(nèi)部含有過(guò)流保護(hù)和故障信號(hào)輸出電路。EXB841輸入端15和14管腳有10  mA的電流流過(guò)時(shí)，內(nèi)部光耦導(dǎo)通，3腳輸出驅(qū)動(dòng)電壓使IGBT導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)信號(hào)截止，光耦截止，3腳輸出反向電壓使IGBT截止。本文所設(shè)計(jì)的IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路如圖5所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

PIC單片機(jī)仿真器提供存儲(chǔ)器和時(shí)鐘，并能運(yùn)行代碼，即使沒(méi)有與目標(biāo)應(yīng)用板相連。在開發(fā)和調(diào)試期間，ICE提供了最強(qiáng)大的能力來(lái)發(fā)揮系統(tǒng)的所有功能，這樣允許用戶對(duì)應(yīng)用方便地進(jìn)行測(cè)試、調(diào)試和再編程。控制器硬件電路設(shè)計(jì)完成以后，接下來(lái)是軟件編制工作。在軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，一般首先根據(jù)實(shí)際情況理清程序的運(yùn)行過(guò)程，在結(jié)合硬件電路的特點(diǎn)設(shè)計(jì)出軟件的流程圖。在具體程序設(shè)計(jì)中，一般先把要用到的中斷進(jìn)行定義和把變量定義到RAM中等，然后定義各個(gè)子函數(shù)，再編寫各個(gè)子函數(shù)，最后進(jìn)行調(diào)試。

軟件程序是系統(tǒng)的靈魂，本文所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)軟件程序由系統(tǒng)主程序、中斷服務(wù)子程序、速度檢測(cè)子程序和故障保護(hù)子程序組成。主程序中設(shè)定了系統(tǒng)的中斷信號(hào)由PIC單片機(jī)的事件管理器T2定時(shí)器的周期中斷來(lái)觸發(fā)，當(dāng)T2周期匹配時(shí)，調(diào)用中斷服務(wù)子程序，通過(guò)速度檢測(cè)子程序?qū)z測(cè)量作為反饋值與設(shè)定的速度值比較，調(diào)節(jié)PWM的占空比，實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度的調(diào)節(jié)。故障保護(hù)子程序檢測(cè)系統(tǒng)的電壓、電流和溫度，與給定安全值進(jìn)行比較，當(dāng)發(fā)成故障時(shí)，發(fā)出錯(cuò)誤警報(bào)并封鎖控制信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的保護(hù)主程序、中斷服務(wù)子程序和故障保護(hù)子程序如圖6～8所示。

4 控制系統(tǒng)與電機(jī)試驗(yàn)

將設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)與電機(jī)聯(lián)機(jī)實(shí)驗(yàn)，電機(jī)的額定功率為900 W，額定電壓為150 V，額定負(fù)載為4.31  N·m。通過(guò)示波器TDS1012觀察發(fā)現(xiàn)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下的霍爾反饋信號(hào)和理論分析結(jié)果完全一致，控制器的三路霍爾位置信號(hào)為空間上相差1200電角度的矩形波。實(shí)驗(yàn)過(guò)程分別測(cè)量負(fù)載轉(zhuǎn)矩為0N·m、2.2  N·m和4.4  N·m時(shí)電機(jī)電流，如圖9所示。從圖可知：電機(jī)的電流曲線近似于正玄波，本文所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能夠在不同負(fù)載情況下驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)作，系統(tǒng)可靠性強(qiáng)、穩(wěn)定性能好。

5 結(jié)論

文中以PIC16F877A單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，包括PIC16F877A最小系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路、IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路和系統(tǒng)信息反饋電路等，并編寫控制系統(tǒng)軟件流程。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能夠可靠驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)可靠運(yùn)行。