两种新型实用直流无刷电机控制器的设计与实现

两种新型实用直流无刷电机控制器的设计与实现直流无刷电动机通过电子换相实现电机运转，与有刷直流（机械换相）电机相比具有噪声低、无电火花干扰、效率高、使用寿命长等优点。所介绍的控制器用PIC单片机完成电子换相及调速控制，其中,软件实现转子位置检测、旋转磁场信号输出及电机PWM调速。控制器中电子换相电路的设计方法有很多。对于有位置传感器的无刷电机，用中小规模数字集成电路和经典的数字电路设计方法即可实现。例如，用可编程逻辑器件CPLD可在计算机上完成硬件设计、波形仿真和下载。目前用于无刷电机控制的专用集成电路种类有很多，如MOTOROLA公司生产的MC33035、东芝公司生产的TA7247芯片等。这些专用芯片对使用电压、工作电流及电机类型都有一定要求。实践证明使用专用芯片设计控制器在芯片的选择、驱动电路设计及试验等环节并非省时省力。在参考和分析了多种专用集成电路工作原理后，用PIC单片机设计出两种有位置传感器的无刷电机控制器，同时与专用集成电路设计的控制器进行了对比，得出以下三方面结论：(1)单片机在改变功能和价格上优于专用芯片;(2)软件程序便于加密，有利于知识产权的保护;(3)软件编程灵活，可根据用户需求增加和完善功能。有了PIC单片机的控制核，只要改变外围驱动、保护、输出电路，即可对不同功率、不同电压或内部结构不同的无刷直流电机实现控制。1控制核心控制器采用PIC16F877或PIC16F876单片机，使用的功能和接口有：八路输入（PIC16F876为四路输入）10位A/D转换器，分辨率达十位的PWM脉宽调制输出口CCP1，可响应外部逻辑电平变化时产生中断的端口B0、B4、B5，用于换相输出的端口C。核心部分结构如图1和图2所示。2高电压大功率控制器工作原理该控制器是针对大功率高电压无刷直流电机设计的，电源取自220V交流电压整流滤波后产生的300V左右的直流电压(电机功率范围为500W~2000W)来对智能功率模块输出部分供电。为简化硬件电路，降低元器件成本，单片机及相关的控制电路供电部分由一只小变压器降压后提供。低压电源提供五组独立输出，其中一组给单片机供电，完全隔离。另四组提供给功率模块内部驱动电路。整个控制部分所需电流较小，除5V输出采用全桥式整流外，其他四路采用单只二极管半波整流。变压器功率5W左右即可满足要求，加工成本也较低，变压器和其他元器件焊在同一块电路板上，体积和重量是可以接受的。电路工作原理如下：单片机上电后，程序对输入输出端口进行设定，端口A为模拟量输入，端口B、C设为数字量输入和输出，设定工作通过写专用寄存器实现。程序初始化工作完成后，检测起/停按钮，当按下按钮时，进入工作程序，检查位置传感器信号和速度调整电位器电压值，将这些数据在单片机内部处理后，调整PWM的脉冲宽度，输出对应的电机驱动控制信号。中断服务程序可提高工作效率。当位置传感器的三个输入引脚电平随之变化时，在单片机内部产生中断，中断服务程序完成输入和输出的译码，输出控制信号产生磁极变位，此过程连续下去产生一个相位超前的旋转磁场，驱动电机运转。在未进入中断服务时，单片机可设置A/D转换、读取A/D数据、电机起/停检测、过流检测等多项内容，单片机工作时具有较高的实时性。3低电压中小功率控制器工作原理该控制器供电电源取自蓄电池组，电池电压根据电机功率（180W~500W）由电机生产厂商提供。电机电压可分为24V、36V、48V、60V。电路中不设隔离电源，单片机+5V电源和驱动电路+15V电源由电池降压稳压后提供。电路中采用六只N沟道功率MOS场效应管，驱动部分采用专用集成电路IR2102(关于IR2102的工作原理将在电路的驱动和输出部分详细介绍)。在低电压驱动器中用MOSFET管代替智能功率器件，取消了高速光电隔离、电源整流、滤波、隔离供电等部分，硬件费用降低，是一种低成本的无刷电机控制器。考虑到使用中会出现电流过载和蓄电池电压过低的情况，该电路中增加了过电流检测和欠压检测部分。单片机软件部分除具备大功率控制器的功能外，还需要针对过流和欠压进行监控。4智能功率模块（输出部分）大功率控制器输出部分选用三菱公司的智能功率输出模块PMXXCSJ060。与常规的IGBT功率输出管相比，该芯片属于成熟的第三代高频IPM集成器件，其内部采用绝缘基板工艺，内置栅级驱动和保护电路，根据电机功率的大小可选用不同额定电流的模块。例如20A耐压600V的功率器件型号为PM20CSJ060，其中，20代表额定电流20A，060代表耐压600V，详细资料可通过三菱公司网站查询。5专用MOS驱动芯片IR2102用于低压控制器的驱动芯片IR2102是美国国际整流器公司（InternationalRectifierCompany）的产品，可驱动MOSFET或IGBT。该芯片的应用简化了驱动电路的设计。IR2102内部采用自举技术设计出悬浮电源，实现一相两个N沟道逆变桥输出电路的控制，如图3所示。其工作原理如下：IR2102为8引脚芯片，HIN和LIN分别为高侧MOS管和低侧MOS管驱动输入端（低电平有效），C为自举电容，D为充电二极管。为防止输出桥臂短路，禁止HIN、LIN同时为低电平。当HIN为高电平、LIN为低电平时，输出LO比低电位高15V，MOS管Q2导通；反之当HIN低电平、LIN为高电平时，开始HO比VS高出15V(注意：这个电压是对电容充电的结果)，随着时间的延续，电容会通过电阻R13、R27放电，导致电压不断下降。Q1导通时间与电容C容量有关，当脉宽调制频率在5kHz以上时，电容C选用0.1μF即可。关于IR2102的详细资料可通过网站查询。6软件设计对有位置传感器的无刷电机而言，多数电机位置传感器状态分60°和120°两种，在未知电角度的情况下，可用数字逻辑分析仪对位置状态的三个输出进行测量，测量时匀速转动电动机转子，测量的输出波形如图4所示。每六个状态为一个电角度周期，重复这一过程。根据实测结果列出电机顺时针和逆时针转动六状态输入输出表，作为编程时的原始数据写入程序。程序内容包括：（1）初始化设置设置相关端口（端口A、B、C、E）,通过写入专用寄存器实现。（2）主程序内容单片机内部功能模块包括A/D转换器、PWM功能的设置，将电机正反转输入输出表数据写入指定存储器单元。开放中断，确定正反转状态，循环检测电机起/停工作按钮电平。（3）中断服务程序当电机运转位置（六状态之一）发生变化时，单片机响应中断进入中断服务程序，在此完成输入输出的译码、滤除错码、调整B0口电平中断方式等内容。（4）子程序子程序包括延时程序、RB0输入端中断电平调整程序、A/D转换程序。软件流程图如图5所示。无刷直流电机应用领域近几年发展非常迅速，证明它自身有很多不可替代的优势，各种类型的控制器也应用而生。在追求高效、宽调速范围的前提下，控制器的高可靠性是制约电机应用普及的关键因素。一方面新型的智能功率器件不断出现，为设计人员提供了更好的硬件基础；另一方面软件设计也是提高可靠性的重要环节，好的软件设计可在很大程度上弥补硬件设计的不足，这些也正是很多工程技术人员追求的目标。参考文献1谭建成.电机控制专用集成电路.北京：机械工业出版社，19992刘和平.PIC16F87X单片机实用软件与接口技术.北京：航空航天大学出版社，20023刘和平.PIC16F87X数据手册.北京：航空航天大学出版社，20014王晓明.电动机的单片机控制.北京：航空航天大学出版社，2002