摘要：隨著科技的發(fā)展，對無刷直流電動機的性能提出更高的要求。本文在研究無刷直流電動機數(shù)學模型、導通方式的基礎上，以單片機PIC16F877A為核心設計控制系統(tǒng)硬件電路和軟件程序，硬件電路包括電機轉(zhuǎn)子位置檢測電路、PIC16F877A最小系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子位置檢測電路、IGBT驅(qū)動保護電路和系統(tǒng)信息反饋電路，并利用MPLAB軟件編譯平臺編寫控制系統(tǒng)軟件程序。通過對實驗結(jié)果的分析：可知本文所設計的控制系統(tǒng)性能可靠、結(jié)構(gòu)簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)對無刷直流電機的可靠控制。

電動機是將電能轉(zhuǎn)換為機械能的常用裝置，按照工作原理將電動機分為直流電動機和交流電動機。直流電動機具有平滑穩(wěn)定的調(diào)速特性和優(yōu)良的啟動性能，所以在需要頻繁啟動和速度變化要求較高的場合如機床、風力發(fā)電機、軌道列車、和軋鋼場等設備上有廣泛應用。但傳統(tǒng)直流電機轉(zhuǎn)子換相過程依靠電刷和換向器直接的配合，換相過程會產(chǎn)生火花和電磁干擾，對周圍電氣設備的電磁兼容造成很大影響，同時，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。為了解決上述問題，很多專家、學者對無刷直流電機開展大量研究工作。

無刷直流電動機作為機電一體化的典型產(chǎn)品，具有傳統(tǒng)直流電動機的調(diào)速特性好、運行穩(wěn)定，又具有交流電動機結(jié)構(gòu)簡單、便于維護的優(yōu)點，所以在部分領(lǐng)域得到初步應用。稀土材料的發(fā)展使得無刷直流電動機得到進一步的發(fā)展，但采用稀土材料制成的無刷直流電動機成本過高，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(xiàn)后，大大降低了無刷直流電動機的成本，為無刷直流電動機其在民用領(lǐng)域的應用提供可能，從幾十瓦至上百瓦的無刷直流電動機在汽車、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(xiàn)代控制理論的快速發(fā)展，使得電動機技術(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)于無刷直流電動機控制技術(shù)研究是當今高校和科研單位研究的熱點。本文在對無刷直流電機數(shù)學模型、運行過程和主回路導通方式研究的基礎上，基于PIC16F877A設計了無刷直流電機控制系統(tǒng)，主要包括PIC16F877A最小系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子位置檢測電路、IGBT驅(qū)動保護電路和系統(tǒng)信息反饋電路，并利用MPLAB軟件編譯平臺編寫控制系統(tǒng)軟件程序。

1 無刷直流電動機

1.1 永磁無刷直流電機

永磁無刷直流電動機利用電與磁之問的關(guān)系，在電動機轉(zhuǎn)子上裝有永磁材料，定子上纏繞三相線圈，線圈通電時產(chǎn)生電磁場，電磁場和永磁體磁場之間相互作用使電機旋轉(zhuǎn)，隨之轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)三相繞組線圈換相，為電動機旋轉(zhuǎn)提供持續(xù)轉(zhuǎn)矩。永磁體采取徑向充磁的瓦形稀土永磁體。電動機定子三相繞組采用星型連接方式，處理器檢測轉(zhuǎn)子的位置，定子根據(jù)微處理器發(fā)送的信號進行換相，保證電機持續(xù)旋轉(zhuǎn)。

1.2 無刷直流電動機數(shù)學模型

分析時對理想的永磁無刷直流電動機作如下假設：

1)電動機定子三相繞相之間完全對稱，氣隙磁場為方波，定子電流和轉(zhuǎn)子磁場分布的磁場為對稱方波。

2)忽略電動機齒槽、換相過程和電樞反應等造成的影響。

3)電樞繞組在定子的內(nèi)表面上的分布方式為連續(xù)均勻的。

4)電動機定子電流為三相對稱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(zhuǎn)矩產(chǎn)生紋波，永磁無刷直流電動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(jié)合產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。

1.2.1 電壓方程

根據(jù)電動機電壓平衡方程

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表示每相反電動勢。有公式(1)可得運行時的無刷直流電動機電壓方程：

1.2.2 轉(zhuǎn)矩方程

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

Te=Pn(eaia+ebib+ecic)/ωr (6)

其中，Te為電動機的額定轉(zhuǎn)矩，Pn為電動機的極對數(shù);ωr為電動機的角速度;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。無刷直流電動機(忽略轉(zhuǎn)動時的粘滯系數(shù))的方程可寫為：

其中，Te為額定轉(zhuǎn)矩，TL為負載轉(zhuǎn)矩，J為電機轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動慣量的總和。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刷直流電機控制系統(tǒng)主回路控制方式的基本類型，無刷直流電機示意圖如圖1所示。三相半控電路采用3個功率器件控制繞組的導通方式，每個繞組由一個功率開關(guān)控制，一個周期只有1/3時間導通，另外2/3時間不通電，繞組沒有得到充分的利用。三相全控電路采用6個功率器件控制繞組的導通方式，同一時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。

在三相無刷直流電機全控式控制系統(tǒng)中，繞組導通方式常見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，每個時刻都有不同橋臂的兩個功率器件導通，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，每個時刻都有不同橋臂的3個功率器件導通，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(tǒng)的硬件設計

2.1 硬件的結(jié)構(gòu)

基于PIC16F877A的無刷直流電機控制系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示，控制系統(tǒng)分為單片機最小系統(tǒng)、控制電路和控制對象三部分，其中單片機最小系統(tǒng)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(qū)動\逆變電路、電流檢測電路、轉(zhuǎn)子位置檢測和驅(qū)動保護電路，控制對象為永磁無刷直流電動機。PIC單片機最小系統(tǒng)為單片機提供工作所需的電源、時鐘信號、復位信號、和存儲器擴展?？刂齐娐房刂齐妱訖C繞組在合適的位置換相、驅(qū)動電動機持續(xù)運行，同時檢測系統(tǒng)參數(shù)，保證系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運行。

2.2 轉(zhuǎn)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，是無刷直流電機換相控制中應用較多的位置傳感器。根據(jù)霍爾元件的特性不同分為線性霍爾元件和開關(guān)型霍爾元件，線性霍爾元件輸出時一個和磁場成正比的連續(xù)信號，常用于連續(xù)量如位移等的測量，開關(guān)型霍爾元件的輸出時一個根據(jù)磁場強弱而變化的高低電平信號，常用作無刷直流電機的位置傳感器。根據(jù)控制系統(tǒng)實時性要求及安裝方便，本控制器采用鎖存型霍爾元件作為電機轉(zhuǎn)子位置傳感器。

根據(jù)電機內(nèi)部電磁場分布，將3個霍爾傳感器安裝在霍爾盤上，相鄰兩個之間的夾角為60°。由于在電機內(nèi)部不易安裝霍爾盤及拆卸不方便，故將其安裝在電機的外部，制作一個圓形磁鋼模擬電機內(nèi)部電磁場分布，霍爾元件的空間分布和輸出特性如圖4所示。當控制系統(tǒng)工作時，霍爾元件根據(jù)磁鋼的位置輸出高低電平，主控制芯片根據(jù)高低電平信號判斷電機轉(zhuǎn)子位置，調(diào)用內(nèi)部程序輸出正確的驅(qū)動信號，使電機開始動作。隨之電機轉(zhuǎn)角的變化，霍爾元件的輸出也發(fā)生變化，主控芯片根據(jù)霍爾元件的高低電平來確定IGBT的導通順序，使電機持續(xù)旋轉(zhuǎn)。

2.3 IGBT驅(qū)動保護電路設計

根據(jù)系統(tǒng)需求，設計IGBT隔離驅(qū)動電路是功率驅(qū)動電路的關(guān)鍵。VLA517—01R是替代EXB841的快速型IGBT集成驅(qū)動芯片，整個電路延遲時間不超過1μs，最高工作頻率達40～50 kHz，只需外部一個20 V電源供電，內(nèi)部可產(chǎn)生一個正驅(qū)動電壓及反向截止電壓，模塊內(nèi)部含有過流保護和故障信號輸出電路。EXB841輸入端15和14管腳有10 mA的電流流過時，內(nèi)部光耦導通，3腳輸出驅(qū)動電壓使IGBT導通，驅(qū)動信號截止，光耦截止，3腳輸出反向電壓使IGBT截止。本文所設計的IGBT驅(qū)動保護電路如圖5所示。

3 軟件設計

PIC單片機仿真器提供存儲器和時鐘，并能運行代碼，即使沒有與目標應用板相連。在開發(fā)和調(diào)試期間，ICE提供了最強大的能力來發(fā)揮系統(tǒng)的所有功能，這樣允許用戶對應用方便地進行測試、調(diào)試和再編程?？刂破饔布娐吩O計完成以后，接下來是軟件編制工作。在軟件設計過程中，一般首先根據(jù)實際情況理清程序的運行過程，在結(jié)合硬件電路的特點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行定義和把變量定義到RAM中等，然后定義各個子函數(shù)，再編寫各個子函數(shù)，最后進行調(diào)試。

軟件程序是系統(tǒng)的靈魂，本文所設計的控制系統(tǒng)軟件程序由系統(tǒng)主程序、中斷服務子程序、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(tǒng)的中斷信號由PIC單片機的事件管理器T2定時器的周期中斷來觸發(fā)，當T2周期匹配時，調(diào)用中斷服務子程序，通過速度檢測子程序?qū)z測量作為反饋值與設定的速度值比較，調(diào)節(jié)PWM的占空比，實現(xiàn)電機速度的調(diào)節(jié)。故障保護子程序檢測系統(tǒng)的電壓、電流和溫度，與給定安全值進行比較，當發(fā)成故障時，發(fā)出錯誤警報并封鎖控制信號輸出，實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的保護主程序、中斷服務子程序和故障保護子程序如圖6～8所示。

4 控制系統(tǒng)與電機試驗

將設計好的系統(tǒng)與電機聯(lián)機實驗，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。通過示波器TDS1012觀察發(fā)現(xiàn)實際運行狀態(tài)下的霍爾反饋信號和理論分析結(jié)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。實驗過程分別測量負載轉(zhuǎn)矩為0N·m、2.2 N·m和4.4 N·m時電機電流，如圖9所示。從圖可知：電機的電流曲線近似于正玄波，本文所設計的控制系統(tǒng)能夠在不同負載情況下驅(qū)動無刷直流電動機動作，系統(tǒng)可靠性強、穩(wěn)定性能好。

5 結(jié)論

文中以PIC16F877A單片機為核心設計了無刷直流電動機控制系統(tǒng)，包括PIC16F877A最小系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子位置檢測電路、IGBT驅(qū)動保護電路和系統(tǒng)信息反饋電路等，并編寫控制系統(tǒng)軟件流程。通過試驗驗證本文所設計的控制系統(tǒng)能夠可靠驅(qū)動無刷直流電機可靠運行。