基于１６位單片機的無刷直流電動機控制系統

www.sail-shipping.com 來源：世界電子元器件作者：俠名類別：電動車維修時間：2008-9-4 9

　　引言

　　直流電機由于調節特性好，堵轉轉矩大，被廣泛應用于驅動裝置及伺服系統。

　　但是有刷直流電動機結構復雜，需要通過電刷換向，會產生火花并導致電磁干擾等問題，從而使有刷直流電動機的轉速及安全等級不能滿足很多場合中的工業生產需要，使應用范圍受到限制。

　　電子器件制造工藝的進步，使制造大功率電子換向器成為可能，也使無刷直流電動機(BLDCM)技術有了飛速發展。無刷直流電動機既具有傳統直流電動機的優點，又由于采用電子換向器，從而克服了機械換向帶來的一系列問題，使無刷直流電動機成為當前電動機控制領域的熱門課題，并且已經被大量應用于生產生活。目前很大一部分電動自行車都使用BLDCM作為驅動元件。

　　無位置傳感器的無刷直流電動機控制系統，程序算法較復雜，且不適于應用在低速及啟動狀態，目前絕大部分BLDCM控制系統仍然采用位置傳感器。在種類眾多的位置傳感器中，霍爾元件以價格低廉、使用方便等優點被大量應用。本文提出了基于NEC16位單片機UPD78F1201，并以霍爾元件作為位置傳感器的BLDCM控制系統解決方案。

　　無刷直流電動機控制原理

　　帶位置傳感器的無刷直流電動機控制系統結構如圖1所示。

　　位置傳感器通常是光電編碼器、霍爾傳感器或正余弦旋轉變壓器。光電編碼器和正余弦旋轉變壓器精度高，但價格昂貴，所需算法也較復雜，主要應用于仿真轉臺或精密數控機床等。霍爾傳感器結構簡單、價格低廉，在BLDCM控制系統中應用很廣，電動自行車中通常采用霍爾傳感器。在電動機定子上間隔120°電角度放置3個霍爾傳感器，即可滿足BLDCM的換相控制需要，而且可以通過檢測霍爾傳感器輸出信號的頻率或脈沖寬度，來檢測電動機轉速，實現速度(Tempo)閉環。

　　驅動電路大部分采用全橋電路，通過調節功率器件的開關順序來實現BLDCM的換相控制，并可以實現電動機的正反轉控制。通過在上下橋臂都調制PWM信號來平衡功率器件的工作壓力，來延長其工作壽命。

　　控制器部分通常使用單片機或DSP。控制器通過讀取位置傳感器信號來檢測BLDCM的轉子位置，從而決定換相策略，輸出控制信號到驅動電路，控制功率器件的開關順序，使電機可以連續轉動。通常，BLDCM控制系統還具有速度(Tempo)閉環及過流保護功能。

　　圖2是120°霍爾無刷直流電動機的換相時序示意圖。在本設計中采用此換相時序，根據檢測到的霍爾信號來決定換相策略，由圖中可見，只在上橋臂采用了PWM控制，而下橋臂控制信號并未調制PWM信號。此方法的優點就是易于實現，但會帶來上橋臂功率器件工作壓力大，使用壽命低于下橋臂器件。

　　三路霍爾的輸出信號可以組成6種位置信息，通過此位置信息，來控制換相。例如，當H1H2H3組成的編碼為101(高電平為1，低電平為0)時，電流從電動機U相流入，V相流出；當H1H2H3變為100時，電流從U相流入，W相流出。在這樣的控制方式下，電動機實現連續轉動。

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