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 achinery

Vol.17 N o.4

Dec.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

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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 1

1

T1,T 4

1

1

1

E5H

2.3 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

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