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基于16位單片機的無刷直流電動機控制系統(tǒng)
（作者未知） 2009/11/17
引言
直流電機由于調(diào)節(jié)特性好，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大，被廣泛應(yīng)用于驅(qū)動裝置及伺服系統(tǒng)。但是有刷直流電動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要通過電刷換向，會產(chǎn)生火花并導(dǎo)致電磁干擾等問題，從而使有刷直流電動機的轉(zhuǎn)速及安全等級不能滿足很多場合中的工業(yè)生產(chǎn)需要，使應(yīng)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(shù)有了飛速發(fā)展。無刷直流電動機既具有傳統(tǒng)直流電動機的優(yōu)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(lǐng)域的熱門課題，并且已經(jīng)被大量應(yīng)用于生產(chǎn)生活。目前很大一部分電動自行車都使用BLDCM作為驅(qū)動元件。
無位置傳感器的無刷直流電動機控制系統(tǒng)，程序算法較復(fù)雜，且不適于應(yīng)用在低速及啟動狀態(tài)，目前絕大部分BLDCM控制系統(tǒng)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(yōu)點被大量應(yīng)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(tǒng)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(tǒng)結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)變壓器。光電編碼器和正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器精度高，但價格昂貴，所需算法也較復(fù)雜，主要應(yīng)用于仿真轉(zhuǎn)臺或精密數(shù)控機床等�；魻杺鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)簡單、價格低廉，在BLDCM控制系統(tǒng)中應(yīng)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(zhuǎn)速，實現(xiàn)速度閉環(huán)。
驅(qū)動電路大部分采用全橋電路，通過調(diào)節(jié)功率器件的開關(guān)順序來實現(xiàn)BLDCM的換相控制，并可以實現(xiàn)電動機的正反轉(zhuǎn)控制。通過在上下橋臂都調(diào)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�？刂破魍ㄟ^讀取位置傳感器信號來檢測BLDCM的轉(zhuǎn)子位置，從而決定換相策略，輸出控制信號到驅(qū)動電路，控制功率器件的開關(guān)順序，使電機可以連續(xù)轉(zhuǎn)動。通常，BLDCM控制系統(tǒng)還具有速度閉環(huán)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(shè)計中采用此換相時序，根據(jù)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(diào)制PWM信號。此方法的優(yōu)點就是易于實現(xiàn)，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?yōu)?00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(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動。
系統(tǒng)設(shè)計
UPD78F1201是NEC公司面向變頻控制應(yīng)用的16位單片機，它具有較為豐富的硬件資源，包括硬件乘法器、除法器、變頻計數(shù)器及實時輸出功能等，都為BLDCM控制帶來了便利。
UPD78F1201 CPU時鐘最高頻率為20MHz，計時器時鐘40MHz，采用16位78KOR處理核心，指令執(zhí)行速度更快，效率更高，并在單片機內(nèi)集成了大量的功能強大的外圍設(shè)備，例如看門狗、DMA控制器、上電清零電路、低壓檢測電路等，降低系統(tǒng)成本，并提高系統(tǒng)可靠性。UPD78F1201內(nèi)建了16位乘16位的硬件乘法器和32位除32位的硬件除法器，能夠在1個時鐘周期內(nèi)完成乘法運算，在16個時鐘周期內(nèi)完成除法運算，極大地提高了單片機的運算性能。
此單片機設(shè)計用于電機變頻控制，所以在內(nèi)部有變頻控制功能及實時輸出功能。通過計時器矩陣單元（TAUS），可以設(shè)置6路PWM波的周期、占空比、死區(qū)時間等，與實時輸出功能配合，可以簡化BLDCM控制算法，從另一個角度提高系統(tǒng)性能。
本系統(tǒng)所使用的電機為BLY171S，三相無刷直流電動機，帶有120°霍爾傳感器，最高轉(zhuǎn)速8000r/min，額定電壓15V。通過變阻器輸入速度控制信號。單片機輸出六路控制信號，控制三相全橋驅(qū)動電路，根據(jù)變阻器輸入電壓值來調(diào)節(jié)PWM占空比，調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。單片機通過外部中斷來檢驗霍爾傳感器的輸出信號，并根據(jù)電機轉(zhuǎn)動方向來決定換相策略。在TAUS中設(shè)置PWM的占空比及死區(qū)時間，通過實時輸出功能，將PWM波調(diào)制到響應(yīng)的功率器件。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖。
結(jié)論
電動機三相繞組的電壓波形如圖4(a)所示，波形從上到下依次為U、V、W（未完，下一頁）
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