基于单片机的无刷直流电动机控制系统设计

文章编号:1008-1658(2002)04-0044-06基于单片机的无刷直流电动机控制系统设计卢 静1,陈非凡2,张高飞2,施涌潮1(1.北京机械工业学院 电子信息工程系, 北京100085 2.清华大学 精密仪器系, 北京100084)摘 要:基于单片机的无刷直流电动机控制系统,主要由无刷直流电动机、单片机和驱动主回路构成,其控制核心是C515C 单片机。

该单片机主要完成位置传感器信号的采集,电动机换相信号的输出,电动机转速的测量,以及数字PWM 调速信号的输出,电流的采集等功能。

并通过软件编程实现速度的PI 调节,构成电动机转速闭环控制系统。

电动机驱动电路采用的是具有开关速度快、损耗低、驱动功率小的M OSFET 管构成的全桥式控制方式。

该系统的特点就是结构简单,实现了全数字式控制,在运行中获得了良好的动静态性能。

关 键 词:无刷直流电动机;单片机;PWM 控制中图分类号:TM 921.5 文献标识码:A直流电动机的机械电刷和换向器因强迫性接触,造成其结构复杂、可靠性差、变化的接触电阻、火花、噪声等一系列问题,影响了直流电动机的调速精度和性能。

随着电子技术、功率元件技术和高性能的磁性材料制造技术的发展,无刷直流电动机利用电子换向器取代了机械电刷和机械换向器,因此,使这种电动机不仅保留了直流电动机的优点,而且又具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点。

在宇航、军事设施领域及工业和民用领域都得到了广泛的应用。

无刷直流电动机是伴随着数字控制技术而产生和发展起来的,因此,采用单片机为主的数字控制是无刷直流电动机的主要控制手段之一。

1 无刷直流电动机简介本系统所使用的是三相两极三角型连接的无刷直流电动机。

下面主要以此为例介绍一下无刷直流电动机的基本工作原理[1]。

图1 无刷直流电动机原理图无刷直流电动机由电动机本体、转子位置传感器、电子开关线路和驱动电路4部分组成,是一种典型的机电一体化产品,其原理框图如图1所示。

图中,直流电源通过开关电路和驱动电路向电动机定子绕组供电,位置传感器随时检测到转子位置,并根据转子的位置信号来控制开关管的导通和截止,从而实现了电子换向。

收稿日期:2002-09-23作者简介:卢 静(1977-),女,天津宝坻人,北京机械工业学院电子信息工程系硕士研究生,主要从事测控及电子技术研究。

第17卷 第4期2002年12月 北京机械工业学院学报Journal of Beijing Institute of M achineryVol.17 N o.4Dec.2002图2 无刷直流电动机驱动换相电路示意图无刷直流电动机的换相原理如图2所示。

随着转子永磁体的转动,作用于位置传感器的磁场方向N -S 极交替变换,使位置传感器产生相位差120 的H1、H 2、H 3方波(请见图3)[2],产生有效的六状态编码信号:101、100、110、010、011、001,通过逻辑组件处理产生T1,T4导通;T1,T6导通;T3,T6导通;T3,T2导通;T5,T2导通;T5,T4导通信号,这样转子每转过一转,T 1~T6功率管即按固定组合成的6种状态依次导通。

图3 位置传感器输出信号2 系统硬件设计本系统是采用C515C 单片机实现全数字式的无刷直流电动机控制系统,该系统主要包括无刷直流电动机、电动机驱动电路、C515C 单片机控制系统等。

该控制系统主要的功能有电动机的换相控制、正/反转控制、制动控制、电动机转速的测量和闭环调速、电流限制等保护电路的设计。

系统硬件结构原理框图如图4所示。

图4 系统硬件结构原理框图该系统的核心部件是西门子公司生产的C515C 单片机。

C515C 单片机的资源丰富、功能强大,其主要特点是:利用比较功能可以方便地输出PWM (pulse width modulation)信号,大大地减少了CPU 的占用时间;利用捕获功能可对电动机的转速进行准确的测量。

C515C 具有丰富的中断资源和3种通用的通信接口(USART 接口,SSC 接口和CAN 接口);而且,该芯片内45第4期 卢 静等:基于单片机的无刷直流电动机控制系统设计部集成了10位的A/D 转换器和64kB 的外部程序存储器和数据存储器等。

该单片机的使用,大大简化了系统的硬件设计和软件设计。

C515C 单片机的P1.0,P1.2,P1.3,P1.4,P3.2,P3.3,6个口作为输入口,采集位置传感器信号,同时也作为中断源控制电动机换相。

P5口作为输出口,通过门电路(7426)控制驱动电路的上下桥臂的MOSFET 管。

P1.1作为PWM 输出口,对电动机的转速进行调制。

P4.0输出高低电平控制电动机的起停。

电机驱动电路如图2所示,采用M OSFET 管搭成的三相全控桥。

下面介绍一下该单片机控制系统所能实现的主要功能。

2.1 转子位置检测本系统利用3个霍尔传感器来检测转子位置。

电机在正常运转时,通过霍尔传感器可得到如图3所示的位置信号H1,H 2,H3,在每一周内有6个强制换相点,将这3路信号分别输入到单片机C515C 的6个外部中断,其中CC0,CC2,CC3是上升沿中断,INT0,INT1,INT2是下降沿中断,这样可实现电动机每转过60 电角度就产生一次中断,即可方便地得到转子位置,而无需附加任何硬件电路。

2.2 换相控制本系统采用的是三相三角型联结,驱动主回路采用二二导通方式,共有6种导通状态,转子每转60 变换一种状态。

导通状态的转换通过软件来完成,即根据位置传感器的输出信号H1,H 2,H3,不断地取相应的控制字送P5口来实现。

位置传感器信号与控制字组成的换相真值表如表1所列。

表1 换相真值表(正转)位置传感器信号H1H2H 3导通管输出逻辑P5.5P5.4P5.3P5.2P5.1P5.0控制字100T1,T 6100110E6H 110T3,T 6010110D6H 010T3,T 2010011D3H 011T5,T 2001011CBH 001T5,T 4001101CDH 11T1,T 4111E5H2.3 转速的测量和控制C515C 单片机可通过初始化设置自动地发出PWM 脉冲波,通过改变脉冲宽度来控制电枢的通电电流,实现转速的控制。

本系统中,通过P1.1口比较输出功能输出PWM 脉冲,该脉冲信号控制与非门7426的B 输入端。

当P1.1口输出低电平时,使与非门输出高电平,驱动电路中上侧的MOSFET 管T 1,T3,T5被封锁;当P1.1口输出高电平时,与非门的输出状态取决于单片机的控制字,MOSFET 管T1,T3,T5的导通与截止按正常换相状态进行。

利用位置传感器的输出信号作为电动机速度的测量信号,转速的测量主要是通过C515C 单片机P1.2口的捕获功能来实现的。

单片机可自动地捕获到位置传感器信号的2个上升沿,可通过计算得出2个上升沿间隔的时间T ,及在T 内计得的时钟脉冲 的个数为m ,则通过公式f =1/T =1/m [2],即可求的电动机的转速。

2.4 转速设定C515C 单片机具有标准的CAN 控制器接口和串行通信接口,这2个接口是单片机与外界沟通的主要渠道。

可以通过任意一个接口来传递速度的设定值。

另外,由于无刷直流电动机46 北京机械工业学院学报 第17卷的转速与电动机的电压呈线性关系,可以通过A/D 转换进行转速的模拟设定。

2.5 电流限制本系统对电动机的电流限制是通过A/D 转换来实现的。

由于电流不能直接由A/D 转换器转换,因此必须先将其转变成电压信号。

常规测量电流的方法多用在被测电路串联电阻,直接测量电阻两端电压的方法,但存在测量范围小、测量误差大等缺点。

而测试系统采用电流/电压转换芯片MAX471,其输出电压可直接输入到C515C 的A/D 转换输入端,克服了常规方法的缺点,实现了电动机电流的高精度测量。

当由A/D 转换采集到的值大于预先设定好的最大值时,通过软件控制封锁MOSFET 管,让电动机停转。

2.6 正反转控制无刷直流电动机的正反转原理很简单,只要改变开关管的通电顺序就可以实现电动机的反转。

本系统中,正反转控制也是通过软件来完成的,通过送反转的控制字到P5口即可。

电动机的反转控制字如表2所列。

表2 换相真值表(反转)位置传感器信号H1H2H 3导通管输出逻辑P5.5P5.4P5.3P5.2P5.1P5.0控制字100T5,T 2001011CBH 110T5,T 4001101CDH 010T1,T 4100101E5H 011T1,T 6100110E6H 001T3,T 6010110D6H 11T3,T 2111D3H3 系统软件设计本系统的控制软件主要包括主程序、6个外部中断服务子程序、测速程序、换相程序、A/D 转换程序、脉宽调制程序、PI 调节程序和计数器/定时器中断程序等几部分。

下面给出部分程序框图,分别如图5、图6、图7所示。

图5 测速子程序流程图其中,控制算法采用的是积分分离的PI 算法,设转速被控量的最大允许偏差为 ,当转47第4期 卢 静等:基于单片机的无刷直流电动机控制系统设计图6 积分分离的PI 调节算法图7 主程序流程图速偏差e 小于 时,采用PI 调节算法,而当e 大于等于 时则不再进行积分运算,即把积分分离出去,这样显著降低了被控量的超调量和过渡时间,使调节器性能得到改善。

PI 调节器的脉冲传递函数为: D (Z )=K p +K i 1S !K p +K i T 2Z +1Z -1[3]其中:K p ∀∀∀比例常数;K i ∀∀∀积分系数;T ∀∀∀采样周期;Z =e ST !1+ST /21-ST /2.离散化形式为:U(n )=U(n -1)+K p [(e(n)-e(n -1)]+K i T [e(n)-e(n -1)]2图8 占空比与转速的对应关系4 实验结果及结论本系统主要完成了电动机的驱动控制电路设计、换相控制、正/反转控制、制动控制、电机转速的测量和闭环控制、电流限制等功能。

在运行中获得了良好的动静态特性,C515C 能自动输出频率为1.5kHz 的PWM 脉冲调制信号,当fpwm =1kH z 时,可得到如图8所示的占空比与转速的对应关系。

在测试过程中发现,PWM 脉冲调制信号的频率越小,电动机在较高转速下就越不平稳。

采用频率为f pwm =1kHz 的PWM 信号进行控制,在本系统要求的最高转速6000r/min 以下,可达到预先的精度要求。

48 北京机械工业学院学报 第17卷并且,系统结构简单,控制方便,具有广阔的应用前景和推广意义。

参考文献:[1]王小明.电动机的单片机控制[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002.[2]张 琛.直流无刷电动机原理及应用[M ].北京:北京机械工业出版社,1996.[3]王鉴光.电动机控制系统[M].北京:北京机械工业出版社,1994.Design of brushless DC motor control systemon single chip microcontrollerLU Jing 1,CHEN Fei fan 2,ZHANG Gao fei 2,SH I Yong chao1(1.Department of Electrical Information Engineering,Bei jing Institute of M achi n ery,Beijing 100085,China; 2.Department ofPreci sion Instruments and M echanics,Tsinghua U niversity,Beijing 100084,China)Abstract :The control system of brushless DC motor w ith single chip microcontroller is intro duced.T he system consists of brushless DC motor,single chip microcontroller and drive circuit w ith C515C as the controlling core.T he acquisition of position sensor sig nals,the output of change phase signals,the measurement of speed of the motor,output of the digital PWM and A/D conversion of the motor #s current are completed by C515C.The speed PI modulation is realized by the softw are.The PI realizes the close loop control of the speed.In addition,the 3 phase full control bridge of MOSFET tube,w ith high sw itch speed,low depreciation and low drive power,is used in pow er drive circuit.T he main properties of the control system are:simple structure,dig ital control,and good dynamic and static properties.Key words :brushless DC motor;single chip microcontroller;PWM control49第4期 卢 静等:基于单片机的无刷直流电动机控制系统设计。