基于PIC16F877A的永磁無(wú)刷直流電機的控制器設計

摘要：隨著(zhù)科技的發(fā)展，對無(wú)刷直流電動(dòng)機的性能提出更高的要求。本文在研究無(wú)刷直流電動(dòng)機數學(xué)模型、導通方式的基礎上，以單片機PIC16F877A為核心設計控制系統硬件電路和軟件程序，硬件電路包括電機轉子位置檢測電路、PIC16F877A最小系統、轉子位置檢測電路、IGBT驅動(dòng)保護電路和系統信息反饋電路，并利用MPLAB軟件編譯平臺編寫(xiě)控制系統軟件程序。通過(guò)對實(shí)驗結果的分析：可知本文所設計的控制系統性能可靠、結構簡(jiǎn)單，能夠實(shí)現對無(wú)刷直流電機的可靠控制。

電動(dòng)機是將電能轉換為機械能的常用裝置，按照工作原理將電動(dòng)機分為直流電動(dòng)機和交流電動(dòng)機。直流電動(dòng)機具有平滑穩定的調速特性和優(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)合如機床、風(fēng)力發(fā)電機、軌道列車(chē)、和軋鋼場(chǎng)等設備上有廣泛應用。但傳統直流電機轉子換相過(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，對周?chē)姎庠O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。為了解決上述問(wèn)題，很多專(zhuān)家、學(xué)者對無(wú)刷直流電機開(kāi)展大量研究工作。

無(wú)刷直流電動(dòng)機作為機電一體化的典型產(chǎn)品，具有傳統直流電動(dòng)機的調速特性好、運行穩定，又具有交流電動(dòng)機結構簡(jiǎn)單、便于維護的優(yōu)點(diǎn)，所以在部分領(lǐng)域得到初步應用。稀土材料的發(fā)展使得無(wú)刷直流電動(dòng)機得到進(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)機成本過(guò)高，僅應用在航空、航天和軍用等高科技領(lǐng)域。20世紀80年代釹鐵硼永磁材料出現后，大大降低了無(wú)刷直流電動(dòng)機的成本，為無(wú)刷直流電動(dòng)機其在民用領(lǐng)域的應用提供可能，從幾十瓦至上百瓦的無(wú)刷直流電動(dòng)機在汽車(chē)、機床、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)和現代控制理論的快速發(fā)展，使得電動(dòng)機技術(shù)獲得跨越性的變化，電機制作工藝和控制理論不斷成熟，關(guān)于無(wú)刷直流電動(dòng)機控制技術(shù)研究是當今高校和科研單位研究的熱點(diǎn)。本文在對無(wú)刷直流電機數學(xué)模型、運行過(guò)程和主回路導通方式研究的基礎上，基于PIC16F877A設計了無(wú)刷直流電機控制系統，主要包括PIC16F877A最小系統、轉子位置檢測電路、IGBT驅動(dòng)保護電路和系統信息反饋電路，并利用MPLAB軟件編譯平臺編寫(xiě)控制系統軟件程序。

1 無(wú)刷直流電動(dòng)機

1.1 永磁無(wú)刷直流電機

永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機利用電與磁之問(wèn)的關(guān)系，在電動(dòng)機轉子上裝有永磁材料，定子上纏繞三相線(xiàn)圈，線(xiàn)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旋轉，隨之轉子的旋轉三相繞組線(xiàn)圈換相，為電動(dòng)機旋轉提供持續轉矩。永磁體采取徑向充磁的瓦形稀土永磁體。電動(dòng)機定子三相繞組采用星型連接方式，處理器檢測轉子的位置，定子根據微處理器發(fā)送的信號進(jìn)行換相，保證電機持續旋轉。

1.2 無(wú)刷直流電動(dòng)機數學(xué)模型

分析時(shí)對理想的永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機作如下假設：

1)電動(dòng)機定子三相繞相之間完全對稱(chēng)，氣隙磁場(chǎng)為方波，定子電流和轉子磁場(chǎng)分布的磁場(chǎng)為對稱(chēng)方波。

2)忽略電動(dòng)機齒槽、換相過(guò)程和電樞反應等造成的影響。

3)電樞繞組在定子的內表面上的分布方式為連續均勻的。

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

為了減小轉矩產(chǎn)生紋波，永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機的氣隙磁密波形應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，兩者相結合產(chǎn)生恒定的電磁轉矩。

1.2.1 電壓方程

根據電動(dòng)機電壓平衡方程

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表示運行時(shí)每相繞組中的電流，L表示每相運行電感，E表示每相反電動(dòng)勢。有公式(1)可得運行時(shí)的無(wú)刷直流電動(dòng)機電壓方程：

1.2.2 轉矩方程

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

Te=Pn(eaia+ebib+ecic)/ωr (6)

其中，Te為電動(dòng)機的額定轉矩，Pn為電動(dòng)機的極對數;ωr為電動(dòng)機的角速度;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。無(wú)刷直流電動(dòng)機(忽略轉動(dòng)時(shí)的粘滯系數)的方程可寫(xiě)為：

其中，Te為額定轉矩，TL為負載轉矩，J為電機轉軸上的轉動(dòng)慣量的總和。ω為機械角速度。

1.3 主回路導通方式

三相半控和三相全控是無(wú)刷直流電機控制系統主回路控制方式的基本類(lèi)型，無(wú)刷直流電機示意圖如圖1所示。三相半控電路采用3個(gè)功率器件控制繞組的導通方式，每個(gè)繞組由一個(gè)功率開(kāi)關(guān)控制，一個(gè)周期只有1/3時(shí)間導通，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通方式，同一時(shí)刻至少有兩相繞組導通，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)刷直流電機全控式控制系統中，繞組導通方式常見(jiàn)的有兩兩導通方式和三三導通方式。采用在兩兩導通方式時(shí)，每個(gè)時(shí)刻都有不同橋臂的兩個(gè)功率器件導通，定義流人繞組的電流產(chǎn)生的力矩方向為正Ta，則流出(另一個(gè)繞組)電流產(chǎn)生的力矩方向為負Ta，則它們的合成力矩為3Ta，如圖2(a)所示。

采用在三三導通方式時(shí)，每個(gè)時(shí)刻都有不同橋臂的3個(gè)功率器件導通，相鄰兩次換相的電角度為600，功率器件導通的電角度為1  800。如果認定流入繞組的電流產(chǎn)生的力矩方向為正Ta，則流出(另一個(gè)繞組)電流產(chǎn)生的力矩方向為負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，對于三相Y接高壓斷路器無(wú)刷直流電機，為了獲得較大的輸出力矩，主回路通電方式采用兩兩導通方式更適合。

2 系統的硬件設計

2.1 硬件的結構

基于PIC16F877A的無(wú)刷直流電機控制系統硬件框圖如圖3所示，控制系統分為單片機最小系統、控制電路和控制對象三部分，其中單片機最小系統是指以PIC16F877A為核心包括電源模塊、晶振復位模塊和外部擴展模塊，控制電路包括光耦隔離電路、驅動(dòng)逆變電路、電流檢測電路、轉子位置檢測和驅動(dòng)保護電路，控制對象為永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機。PIC單片機最小系統為單片機提供工作所需的電源、時(shí)鐘信號、復位信號、和存儲器擴展?？刂齐娐房刂齐妱?dòng)機繞組在合適的位置換相、驅動(dòng)電動(dòng)機持續運行，同時(shí)檢測系統參數，保證系統可靠穩定運行。

2.2 轉子位置檢測電路設計

霍爾傳感器的工作原理是半導體器件的霍爾效應，是無(wú)刷直流電機換相控制中應用較多的位置傳感器。根據霍爾元件的特性不同分為線(xiàn)性霍爾元件和開(kāi)關(guān)型霍爾元件，線(xiàn)性霍爾元件輸出時(shí)一個(gè)和磁場(chǎng)成正比的連續信號，常用于連續量如位移等的測量，開(kāi)關(guān)型霍爾元件的輸出時(shí)一個(gè)根據磁場(chǎng)強弱而變化的高低電平信號，常用作無(wú)刷直流電機的位置傳感器。根據控制系統實(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轉子位置傳感器。

根據電機內部電磁場(chǎng)分布，將3個(gè)霍爾傳感器安裝在霍爾盤(pán)上，相鄰兩個(gè)之間的夾角為60°。由于在電機內部不易安裝霍爾盤(pán)及拆卸不方便，故將其安裝在電機的外部，制作一個(gè)圓形磁鋼模擬電機內部電磁場(chǎng)分布，霍爾元件的空間分布和輸出特性如圖4所示。當控制系統工作時(shí)，霍爾元件根據磁鋼的位置輸出高低電平，主控制芯片根據高低電平信號判斷電機轉子位置，調用內部程序輸出正確的驅動(dòng)信號，使電機開(kāi)始動(dòng)作。隨之電機轉角的變化，霍爾元件的輸出也發(fā)生變化，主控芯片根據霍爾元件的高低電平來(lái)確定IGBT的導通順序，使電機持續旋轉。

2.3 IGBT驅動(dòng)保護電路設計

根據系統需求，設計IGBT隔離驅動(dòng)電路是功率驅動(dòng)電路的關(guān)鍵。VLA517—01R是替代EXB841的快速型IGBT集成驅動(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40～50  kHz，只需外部一個(gè)20 V電源供電，內部可產(chǎn)生一個(gè)正驅動(dòng)電壓及反向截止電壓，模塊內部含有過(guò)流保護和故障信號輸出電路。EXB841輸入端15和14管腳有10  mA的電流流過(guò)時(shí)，內部光耦導通，3腳輸出驅動(dòng)電壓使IGBT導通，驅動(dòng)信號截止，光耦截止，3腳輸出反向電壓使IGBT截止。本文所設計的IGBT驅動(dòng)保護電路如圖5所示。

3 軟件設計

PIC單片機仿真器提供存儲器和時(shí)鐘，并能運行代碼，即使沒(méi)有與目標應用板相連。在開(kāi)發(fā)和調試期間，ICE提供了最強大的能力來(lái)發(fā)揮系統的所有功能，這樣允許用戶(hù)對應用方便地進(jìn)行測試、調試和再編程?？刂破饔布娐吩O計完成以后，接下來(lái)是軟件編制工作。在軟件設計過(guò)程中，一般首先根據實(shí)際情況理清程序的運行過(guò)程，在結合硬件電路的特點(diǎn)設計出軟件的流程圖。在具體程序設計中，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，再編寫(xiě)各個(gè)子函數，最后進(jìn)行調試。

軟件程序是系統的靈魂，本文所設計的控制系統軟件程序由系統主程序、中斷服務(wù)子程序、速度檢測子程序和故障保護子程序組成。主程序中設定了系統的中斷信號由PIC單片機的事件管理器T2定時(shí)器的周期中斷來(lái)觸發(fā)，當T2周期匹配時(shí)，調用中斷服務(wù)子程序，通過(guò)速度檢測子程序將檢測量作為反饋值與設定的速度值比較，調節PWM的占空比，實(shí)現電機速度的調節。故障保護子程序檢測系統的電壓、電流和溫度，與給定安全值進(jìn)行比較，當發(fā)成故障時(shí)，發(fā)出錯誤警報并封鎖控制信號輸出，實(shí)現對控制系統的保護主程序、中斷服務(wù)子程序和故障保護子程序如圖6～8所示。

4 控制系統與電機試驗

將設計好的系統與電機聯(lián)機實(shí)驗，電機的額定功率為900 W，額定電壓為150 V，額定負載為4.31  N·m。通過(guò)示波器TDS1012觀(guān)察發(fā)現實(shí)際運行狀態(tài)下的霍爾反饋信號和理論分析結果完全一致，控制器的三路霍爾位置信號為空間上相差1200電角度的矩形波。實(shí)驗過(guò)程分別測量負載轉矩為0N·m、2.2  N·m和4.4  N·m時(shí)電機電流，如圖9所示。從圖可知：電機的電流曲線(xiàn)近似于正玄波，本文所設計的控制系統能夠在不同負載情況下驅動(dòng)無(wú)刷直流電動(dòng)機動(dòng)作，系統可靠性強、穩定性能好。

5 結論

文中以PIC16F877A單片機為核心設計了無(wú)刷直流電動(dòng)機控制系統，包括PIC16F877A最小系統、轉子位置檢測電路、IGBT驅動(dòng)保護電路和系統信息反饋電路等，并編寫(xiě)控制系統軟件流程。通過(guò)試驗驗證本文所設計的控制系統能夠可靠驅動(dòng)無(wú)刷直流電機可靠運行。