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两种新型实用直流无刷电机控制器的设计与实现

2008-04-11
作者:邱 明, 张曙明, 曲金泽

  摘 要: 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。
  关键词: 直流无刷 旋转磁场 PWM调速 智能功率模块


  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" title="位置传感器">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" title="专用集成电路">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" title="工作原理">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" title="A/D">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~2 000W)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" title="中断服务程序">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(International Rectifier Company)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www.IRF.com.cn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,1999
2 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,2002
3刘和平.PIC16F87X数据手册.北京:航空航天大学出版社,2001
4王晓明.电动机的单片机控制.北京:航空航天大学出版社,2002

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