基于ATmega8的无刷直流电机电调的设计

基于ATmega8的无刷直流电机电调的设
计
摘要本文通过以ATmega8单片机为核心，分析了无刷直流电机的原理，从硬件和软件两个方面阐述了无刷直流电机的电调的设计，其中硬件包含了电流的检测、电机换相、电池电压检测、反电势过零检测，软件主要完成了系统程序、场效应管的自检程序、反电势检测程序、以及PPM解码程序。

经过测试该电调能够满足系统的设计需求。

【Key】ATmega8 无刷电机电调
笔者在指导学生课外航模兴趣小组的过程中，发现无刷直流电机电调的使用比较频繁，而且很多成品电调不能满足设计需要，所以指导学生完成了此电调的设计，该电调可以直接与无线遥控器相连，通过测试性能稳定，以下是该电调设计中的原理和软硬件系统。

1 无刷直流电机的原理
在点与磁的转换过程中主要有三个基本原理，左手定则、右手定则、安培定则。

左手定则用来判断在磁场中载流导体的受力方向，右手定则用来判断切割磁感线的导体产生的电流方向，安培定则用来判断磁感线的环绕方向，无刷电机相关参数的判断和程序的设计基础就是以上三个基本原理。

本系统电调的设计是基于外转子无刷直流电机设计的，该电机的KV值为1000，其采用的结构是12绕组14极（即7对极）。

电机换相的时机只取决于转子的位置，在该系统的设计中采用的是三相的感生电动势的方法来判断定子的位置，该方法的优点是不需要在系统中增加相应的器件，缺点是电机启动时可控性较差。

电机的调速是通过直流电压来控制，单片机通过用PWM方式来控制电机的输入电压，通过PWM占空比的变化来转换为不同大小的等效电压。

2 电调硬件电路的设计
2.1 电流检测电路
电流检测部分应用一段阻值大小为0.01欧姆的导线，经过MOSFET和电机的电流全都从它那里经过导线而流向GND，通过导线的电流和电阻的阻值相乘从而得到了产生的电压值大小，经过电阻和电容器进行一阶低通滤波，最后接入ATmega8的ADC6通道，通过对于电流值大小的判断实现了对于电流值检测功能。

2.2 换相控制电路
通过6个功率场效应管和一些外围电阻和三极管构成了系统的三相六臂全桥电路，其中6个场效应管中有3个是P型管，型号为IR公司的IRFR5305，3个是N型管，使用的型号是IR公司的IRFR1205。

通过ATmega8的PWM信号来控制三
相全桥上桥臂栅极的通断，从而形成了一个方波进行无刷电机的三相供电。

通过ATmega8的I/O口直接控制下桥臂栅极驱动信号，具有导通与截止两种状态。

通过对于场效应管额定参数的判断，当栅极电压为5V时，场效应管允许的导通电流仅为25A左右，能够满足系统需求。

2.3 电池电压检测电路
通过一个电阻分压网络实现对于电池电压的检测。

在该电路中电源采用的锂电池接到VCC端，锂电池负极接到该分压网络的接地端，ATmega8的ADC7通道接U_BAT端，高频波纹的影响的消除通过电容实现。

电池电压变化，通过U_BAT 端就能及时的判断出来。

2.4 反电势过零检测电路
反电动势检测电路设计中，选择4个点的电压值进行判断，首先选择一个中间点其标注为N点，其余点分别为A、B、C三个的电压，其中为了简化电路的设计，打开ATmega8的复用功能，将A、B、C点通过一个分压网络输入到ATmega8的AIN0引脚，其电压的大小就是中间点电压值N，然后将A、B、C三个点形成的负向输入端可以根据ATmega8的ADC多工选择寄存器的配置而选择单片机的ADC0、ADC1、ADC2三个引脚，从而通过电压值的比较判断出各相的过零事件。

3 电调软件系统的设计
3.1 无刷电机启动程序
系统加电启动之后首先进行电池电压的检测，延时2秒钟，再一次的进行电池电压的检测，当电池电压正常的时候，进行系统控制信号的检测，当控制信号没有时再一次进行电池电压的检测。

3.2 MOSFET场效应管的自检程序
单片机初始化之后，需要进行MOSFET场效应管的自检，首先打开A相的上臂的MOS管，打开B相，给三相六臂全桥驱动以较小的PWM值，然后系统充电30S，判断系统是否获得了稳定的反向电动势，如果获得了则系统退出启动程序，如果没有获得则换相通电14/15的上次通电时间，让后充电30S，继续判断是否获得了反向电动势。

3.3 电机反电势过零检测启动程序
电机反电势过零的检测需要将系统通电时间足够长，然后进行换相，在程序中给PWM赋值4，通过PWM信号值加1，通电时间减少同时三相六状态轮询，然后进行电流检测，当电流检测如果不正常，关闭场效应管报警，系统显示故障，电流检测正常则进行电机的第三相反电势检测，如果检测不正常则循环到三相六状态进行轮询，如果第三相反电势检测正常则电机启动成功。

3.4 PPM解码程序的设计
程序的设计通过ATmega8的定时器功能来实现，通过定时器T1的初始化设置上升沿触发，捕捉中断的功能开启，指令信号的获取是通过检测给定频率的PWM 信号的占空比实现的。

如果PPM信号频率为50Hz，停转时的脉宽值为1ms，最大值运转值为2ms，其间的各点按比例换算。

4 小结
本文实现了基于ATmega8的无刷直流电机电调的设计，硬件电路的设计实现了对于系统电流的检测、电机换相的控制、电池电压的检测、反电势过零的检测，软件的设计主要实现了无刷电机的启动程序，MOSFET场效应管的自检程序设计、电机反电势过零检测启动程序设计、PPM解码程序的设计。

Reference
[1]沈建华.杨艳琴.MSP系列16位超低功耗单片机原理与实践[M].北京：北京
航空航天大学出版社，2008（07）.
[2]陈小永.直流无刷电机控制技术研发[D].中国石油大学，2009.
[3]乔维维.四旋翼飞行器飞行控制系统研究与仿真[D].太原：中北大学，2012.
[4]孟磊，蒋宏，罗俊，等.四旋翼飞行器无刷直流电机调速系统的设计[J].电子设计工程，2011.
作者简介
戚伟（1982-），男，硕士学位。

现为江苏联合职业技术学院徐州财经分院讲师。

研究方向为嵌入式系统设计、网络视频监控。

作者单位
江苏联合职业技术学院徐州财经分院江苏省徐州市 221008
电子技术与软件工程2016年20期电子技术与软件工程的其它文章
工信部：加快推进“网络强国”战略
工信部：推进宽带网络基建加快发展光纤和4G
2019年全球LED生产设备市场前景及分析
三星中国爆炸门原因在查市场份额跌至第六位
搜狗携手小米开创人工智能输入时代
2016互联网内容创作者电商峰会圆满落幕
-全文完-。