無邏輯換相器件的BLDCM穩(wěn)速控制
張慶超，馬瑞卿
（西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，西安710072）
摘要：針對(duì)一種小功率無刷直流電動(dòng)機(jī)( BLDCM)，采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制方法，充分利用C8051F320單片機(jī)( MCU)的I/O及外設(shè)功能，實(shí)現(xiàn)了無數(shù)字邏輯器件換相的單片機(jī)的BLDCM的穩(wěn)速控制，并對(duì)這種控制方法中出現(xiàn)的問題及解決方法進(jìn)行了詳細(xì)的分析。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)；BLDCM；穩(wěn)速
中圖分類號(hào)：TM36 +1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-6848(2010)07-0077-04
O引 言
通常實(shí)現(xiàn)無刷直流電動(dòng)機(jī)( BLDCM)電子換相的方法一般有以下幾種：
② 用可編程的邏輯器件（如CPLD或GAL器件）；
②利用門電路搭建換相邏輯電路；
③利用專用控制芯片；
④利用DSP中的事件管理器模塊或****單片機(jī)中的專用控制模塊。
而可編程的邏輯器件或門電路會(huì)增加控制器結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，專用控制芯片只能適用于有限的應(yīng)用范圍，使用DSP或****單片機(jī)會(huì)增加控制器的成本。因此，設(shè)計(jì)一種利月普通單片機(jī)即可實(shí)現(xiàn)電子換相的結(jié)構(gòu)簡潔、低成本無刷直流電動(dòng)機(jī)控制器就具有其實(shí)際的應(yīng)用意義，本文基于此思想設(shè)計(jì)了一種無數(shù)字邏輯器件換相的單片機(jī)穩(wěn)速控制器，并對(duì)其軟硬件設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的分析。
l控制器硬件設(shè)計(jì)
1.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖
BLDCM無數(shù)字邏輯換相器件的穩(wěn)速控制的主要思想是以普通單片機(jī)為控制核心，無需附加額外數(shù)字電路，完成電機(jī)的測(cè)速、換相、斬波及控制算法的實(shí)現(xiàn)，考慮到所用無刷直流電動(dòng)機(jī)的功率及額定電壓都較小，故在系統(tǒng)中對(duì)控制電路與功率變換電路采用了非隔離的電氣連接方式，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
圖l中，單片機(jī)選用C8051F320，其內(nèi)核為51系列單片機(jī)，而驅(qū)動(dòng)電路采用驅(qū)動(dòng)芯片IR2130，功率變換器采用三相橋式逆變器，電機(jī)繞組采用星形連接方式，工作于兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)模式。直流母線過壓、欠壓保護(hù)利用電阻分壓網(wǎng)絡(luò)及C8051F320自帶的兩個(gè)比較器實(shí)現(xiàn)，過流保護(hù)通過采樣主功率電路負(fù)壓側(cè)串聯(lián)的小阻值電阻兩端電壓，經(jīng)IR2130內(nèi)部運(yùn)放放大后送入其ITRIP引腳，當(dāng)電壓大于內(nèi)部0.5 V基準(zhǔn)時(shí)，F(xiàn)AULT引腳變?yōu)榈碗娖剑源俗鳛檩斎雴纹瑱C(jī)的過流中斷指示信號(hào)，并由單片機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。
2軟件設(shè)計(jì)
2.1控制策略
控制器穩(wěn)速控制采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制策略，輔以過壓、欠壓、過流保護(hù)，為了使啟動(dòng)時(shí)電流不至過大，在轉(zhuǎn)速進(jìn)入閉環(huán)之前對(duì)電機(jī)采用軟起動(dòng)，逐漸增加PWM波占空比，讓電機(jī)電壓與轉(zhuǎn)速平穩(wěn)上升，最終進(jìn)入轉(zhuǎn)速閉環(huán)程序，使電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行于系統(tǒng)給定的轉(zhuǎn)速之上[3]。
單片機(jī)主程序流程圖如圖2所示，軟起動(dòng)程序流程圖如圖2虛線部分所示。
2.2轉(zhuǎn)速閉環(huán)
轉(zhuǎn)速閉環(huán)通過捕獲中斷服務(wù)子程序完成，其包括測(cè)速和PI算法兩部分，程序流程圖如圖3所示。
電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)是利用C8051F320中的捕捉模塊捕捉一相Hall信號(hào)的上升沿來觸發(fā)中斷，進(jìn)入捕獲中斷服務(wù)子程序后，再用定時(shí)器對(duì)Hall信號(hào)兩個(gè)上升沿之間的時(shí)間計(jì)時(shí)，則電機(jī)轉(zhuǎn)速可由下式計(jì)算：
式中，n為電機(jī)計(jì)算轉(zhuǎn)速，p為極對(duì)數(shù)（本系統(tǒng)所用的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)為6對(duì)極），ΔT為定時(shí)器測(cè)得兩個(gè)上升沿之間的時(shí)間。
PI控制算法：利用上式計(jì)算的結(jié)果作為PI算法每一拍所求的電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速反饋值，PI調(diào)節(jié)采用增量式PI算法，只需前盾兩拍的反饋值即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)穩(wěn)速控制，該方法簡單、可靠，在此不再祥述。
2.3編程關(guān)鍵問題及解決方法
(1) PWM波的產(chǎn)生
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