兩種新型實用直流無刷電機控制器的設計與實現(xiàn)直流無刷電動機通過電子換相實現(xiàn)電機運轉(zhuǎn)，與有刷直流(機械換相)電機相比具有噪聲低、無電火花干擾、效率高、使用壽命長等優(yōu)點。所介紹的控制器用PIC單片機完成電子換相及調(diào)速控制，其中，軟件實現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置檢測、旋轉(zhuǎn)磁場信號輸出及電機PWM調(diào)速?？刂破髦须娮訐Q相電路的設計方法有很多。對于有位置傳感器的無刷電機，用中小規(guī)模數(shù)字集成電路和經(jīng)典的數(shù)字電路設計方法即可實現(xiàn)。例如，用可編程邏輯器件CPLD可在計算機上完成硬件設計、波形仿真和下載。目前用于無刷電機控制的專用集成電路種類有很多，如MOTOROLA公司生產(chǎn)的MC33035、東芝公司生產(chǎn)的TA7247芯片等。這些專用芯片對使用電壓、工作電流及電機類型都有一定要求。實踐證明使用專用芯片設計控制器在芯片的選擇、驅(qū)動電路設計及試驗等環(huán)節(jié)并非省時省力。在參考和分析了多種專用集成電路工作原理后，用PIC單片機設計出兩種有位置傳感器的無刷電機控制器，同時與專用集成電路設計的控制器進行了對比，得出以下三方面結(jié)論：單片機在改變功能和價格上優(yōu)于專用芯片；軟件程序便于加密，有利于知識產(chǎn)權(quán)的保護；軟件編程靈活，可根據(jù)用戶需求增加和完善功能。有了PIC單片機的控制核，只要改變外圍驅(qū)動、保護、輸出電路，即可對不同功率、不同電壓或內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同的無刷直流電機實現(xiàn)控制。1控制核心控制器采用PIC16F877或PIC16F876單片機，使用的功能和接口有：八路輸入^1C16F876為四路輸入)10位A/D轉(zhuǎn)換器，分辨率達十位的PWM脈寬調(diào)制輸出口CCP1,可響應外部邏輯電平變化時產(chǎn)生中斷的端口B0、B4、B5，用于換相輸出的端口。。核心部分結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。

海降H：變壓器高電壓大功率控制器框圖電HI囪置傳感器10tA?])轉(zhuǎn)換EM1模塊□1；鞫口c章雪頊1所逗頊口土|]5V：^inA整貌濾被由游。 E+]5V 30mA.—■ ■-BF 海降H：變壓器高電壓大功率控制器框圖電HI囪置傳感器10tA?])轉(zhuǎn)換EM1模塊□1；鞫口c章雪頊1所逗頊口土|]5V：^inA整貌濾被由游。 E+]5V 30mA.—■ ■-BF *115V 5<)m.\4SV菖電池粗PIL16FS76單片卅2低屯壓控制囂.原理而圖5保護10位AD轉(zhuǎn)喚端口Eftin桂置住感器漏程ANI欠壓PWM模塊CCP2MUS?心片MIJS功率VK渡?|'15穩(wěn)涎輜無刷電機2高電壓大功率控制器工作原理該控制器是針對大功率高電壓無刷直流電機設計的，電源取自220V交流電壓整流濾波后產(chǎn)生的300V左右的直流電壓（電機功率范圍為500W~2000W）來對智能功率模塊輸出部分供電。為簡化硬件電路，降低元器件成本，單片機及相關的控制電路供電部分由一只小變壓器降壓后提供。低壓電源提供五組獨立輸出，其中一組給單片機供電，完全隔離。另四組提供給功率模塊內(nèi)部驅(qū)動電路。整個控制部分所需電流較小，除5V輸出采用全橋式整流外，其他四路采用單只二極管半波整流。變壓器功率5W左右即可滿足要求，加工成本也較低，變壓器和其他元器件焊在同一塊電路板上，體積和重量是可以接受的。電路工作原理如下：單片機上電后，程序?qū)斎胼敵龆丝谶M行設定，端口A為模擬量輸入，端口B、C設為數(shù)字量輸入和輸出，設定工作通過寫專用寄存器實現(xiàn)。程序初始化工作完成后，檢測起停按鈕，當按下按鈕時，進入工作程序，檢查位置傳感器信號和速度調(diào)整電位器電壓值，將這些數(shù)據(jù)在單片機內(nèi)部處理后，調(diào)整PWM的脈沖寬度，輸出對應的電機驅(qū)動控制信號。中斷服務程序可提高工作效率。當位置傳感器的三個輸入引腳電平隨之變化時，在單片機內(nèi)部產(chǎn)生中斷，中斷服務程序完成輸入和輸出的譯碼，輸出控制信號產(chǎn)生磁極變位，此過程連續(xù)下去產(chǎn)生一個相位超前的旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。在未進入中斷服務時，單片機可設置A/D轉(zhuǎn)換、讀取A/D數(shù)據(jù)、電機起/停檢測、過流檢測等多項內(nèi)容，單片機工作時具有較高的實時性。3低電壓中小功率控制器工作原理該控制器供電電源取自蓄電池組，電池電壓根據(jù)電機功率（180W~500W）由電機生產(chǎn)廠商提供。電機電壓可分為24V、36V、48V、60V。電路中不設隔離電源，單片機+5V電源和驅(qū)動電路+15V電源由電池降壓穩(wěn)壓后提供。電路中采用六只N溝道功率MOS場效應管，驅(qū)動部分采用專用集成電路舊2102（關于舊2102的工作原理將在電路的驅(qū)動和輸出部分詳細介紹）。在低電壓驅(qū)動器中用MOSFET管代替智能功率器件，取消了高速光電隔離、電源整流、濾波、隔離供電等部分，硬件費用降低，是一種低成本的無刷電機控制器。考慮到使用中會出現(xiàn)電流過載和蓄電池電壓過低的情況，該電路中增加了過電流檢測和欠壓檢測部分。單片機軟件部分除具備大功率控制器的功能外，還需要針對過流和欠壓進行監(jiān)控。4智能功率模塊（輸出部分）大功率控制器輸出部分選用三菱公司的智能功率輸出模塊PMXXCSJ060O與常規(guī)的IGBT功率輸出管相比，該芯片屬于成熟的第三代高頻IPM集成器件，其內(nèi)部采用絕緣基板工藝，內(nèi)置柵級驅(qū)動和保護電路，根據(jù)電機功率的大小可選用不同額定電流的模塊。例如20A耐壓600V的功率器件型號為PM20CSJ060，其中，20代表額定電流20A，060代表耐壓600V，詳細資料可通過三菱公司網(wǎng)站查詢。5專用MOS驅(qū)動芯片IR2102用于低壓控制器的驅(qū)動芯片舊2102是美國國際整流器公司（InternationalRectifierCompany）的產(chǎn)品，可驅(qū)動MOSFET或IGBT。該芯片的應用簡化了驅(qū)動電路的設計。舊2102內(nèi)部采用自舉技術設計出懸浮電源，實現(xiàn)一相兩個N溝道逆變橋輸出電路的控制，如圖3所示。其工作原理如下：圖單橋臂驅(qū)動輸出電躊圖舊2102為8引腳芯片，HIN和LIN分別為高側(cè)MOS管和低側(cè)MOS管驅(qū)動輸入端（低電平有效），C為自舉電容，D為充電二極管。為防止輸出橋臂短路，禁止HIN、LIN同時為低電平。當HIN為高電平、LIN為低電平時，輸出LO比低電位高15V，MOS管Q2導通；反之當HIN低電平、LIN為高電平時，開始HO比VS高出15V（注意：這個電壓是對電容充電的結(jié)果），隨著時間的延續(xù)，電容會通過電阻R13、R27放電，導致電壓不斷下降。Q1導通時間與電容C容量有關，當脈寬調(diào)制頻率在5kHz以上時，電容C選用0.1〃F即可。關于舊2102的詳細資料可通過網(wǎng)站www.IRF.查詢。6軟件設計對有位置傳感器的無刷電機而言，多數(shù)電機位置傳感器狀態(tài)分60°和120°兩種，在未知電角度的情況下，可用數(shù)字邏輯分析儀對位置狀態(tài)的三個輸出進行測量，測量時勻速轉(zhuǎn)動電動機轉(zhuǎn)子，測量的輸出波形如圖4所示。每六個狀態(tài)為一個電角度周期，重復這一過程。根據(jù)實測結(jié)果列出電機順時針和逆時針轉(zhuǎn)動六狀態(tài)輸入輸出表，作為編程時的原始數(shù)據(jù)寫入程序。060120180240-SftOS60 400EOO720TOC\o"1-5"\h\zIIII I I Il|i 1 i II I I■I——I——I—— I I ——i——I——I I I ! ! Aii i> | 'i I IIlli II I i__J I I? & !?!.?■ I i b ■ 1 ? 1R> [ 1"-r__ii ~~i i i■ [ I IDt | i i 一」 i一 J I lii」i ii i i_i i 「._ l, ■ ■ :尸I I [ [ I I 1 I II ILi [ i i | j n ! ii iliil ?i i I | I i ? j (!?■■■轉(zhuǎn)于位置,電即度(a)60。恃感器電亦CGO120ISO2403枇360 4白0 600 7戲 I I.I——I 1——I I 1——I——I I I"―1 ' AiiIiiii>i'I | __-L, 1 III J 1—二I I,iitriii[ii]* 1 ! !RI I 1 1 I I ~~i i > IiDI I | k I I I I I ' II料子借置/電即度，：I門120。住感皆電壓圖4位置傳感器輸出波形圖程序內(nèi)容包括：（1） 初始化設置設置相關端口（端口A、B、C、E），通過寫入專用寄存器實現(xiàn)。（2） 主程序內(nèi)容單片機內(nèi)部功能模塊包括A/D轉(zhuǎn)換器、PWM功能的設置，將電機正反轉(zhuǎn)輸入輸出表數(shù)據(jù)寫入指定存儲器單元。開放中斷，確定正反轉(zhuǎn)狀態(tài)，循環(huán)檢測電機起停工作按鈕電平。（3） 中斷服務程序當電機運轉(zhuǎn)位置（六狀態(tài)之一）發(fā)生變化時，單片機響應中斷進入中斷服務程序，在此完成輸入輸出的譯碼、濾除錯碼、調(diào)整B0口電平中斷方式等內(nèi)容。(4)子程序子程序包括延時程序、RB0輸入端中斷電平調(diào)整程序、A/D轉(zhuǎn)換程序。軟件流程圖如圖5所示。無刷直流電機應用領域近幾年發(fā)展非常迅速，證明它自身有很多不可替代的優(yōu)勢，各種類型的控制器也應用而生。在追求高效、寬調(diào)速范圍的前提下，控制器的高可靠性是制約電機應用普及的關鍵因素。一方面新型的智能功率器件不斷出現(xiàn)，為設計人員提供了更好的硬件基礎；另一方面軟件設