一種基于PIC16F877A的無刷直流電機(jī)控制器設(shè)計(jì)

采用在三三導(dǎo)通方式時(shí)，每個(gè)時(shí)刻都有不同橋臂的3個(gè)功率器件導(dǎo)通，相鄰兩次換相的電角度為600，功率器件導(dǎo)通的電角度為1 800。如果認(rèn)定流入繞組的電流產(chǎn)生的力矩方向?yàn)檎齌a，則流出(另一個(gè)繞組)電流產(chǎn)生的力矩方向?yàn)樨?fù)Ta，則它們的合成力矩為1.5Ta，如圖2(b)所示。

從上面的分析可以看出，對(duì)于三相Y接高壓斷路器無刷直流電機(jī)，為了獲得較大的輸出力矩，主回路通電方式采用兩兩導(dǎo)通方式更適合。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件的結(jié)構(gòu)

基于PIC16F877A的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示，控制系統(tǒng)分為單片機(jī)最小系統(tǒng)、控制電路和控制對(duì)象三部分，其中單片機(jī)最小系統(tǒng)是指以PIC16F877A為核心包括電源模塊、晶振復(fù)位模塊和外部擴(kuò)展模塊，控制電路包括光耦隔離電路、驅(qū)動(dòng)逆變電路、電流檢測電路、轉(zhuǎn)子位置檢測和驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，控制對(duì)象為永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)。PIC單片機(jī)最小系統(tǒng)為單片機(jī)提供工作所需的電源、時(shí)鐘信號(hào)、復(fù)位信號(hào)、和存儲(chǔ)器擴(kuò)展?？刂齐娐房刂齐妱?dòng)機(jī)繞組在合適的位置換相、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)持續(xù)運(yùn)行，同時(shí)檢測系統(tǒng)參數(shù)，保證系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 轉(zhuǎn)子位置檢測電路設(shè)計(jì)

霍爾傳感器的工作原理是半導(dǎo)體器件的霍爾效應(yīng)，是無刷直流電機(jī)換相控制中應(yīng)用較多的位置傳感器。根據(jù)霍爾元件的特性不同分為線性霍爾元件和開關(guān)型霍爾元件，線性霍爾元件輸出時(shí)一個(gè)和磁場成正比的連續(xù)信號(hào)，常用于連續(xù)量如位移等的測量，開關(guān)型霍爾元件的輸出時(shí)一個(gè)根據(jù)磁場強(qiáng)弱而變化的高低電平信號(hào)，常用作無刷直流電機(jī)的位置傳感器。根據(jù)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求及安裝方便，本控制器采用鎖存型霍爾元件作為電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器。

根據(jù)電機(jī)內(nèi)部電磁場分布，將3個(gè)霍爾傳感器安裝在霍爾盤上，相鄰兩個(gè)之間的夾角為60°。由于在電機(jī)內(nèi)部不易安裝霍爾盤及拆卸不方便，故將其安裝在電機(jī)的外部，制作一個(gè)圓形磁鋼模擬電機(jī)內(nèi)部電磁場分布，霍爾元件的空間分布和輸出特性如圖4所示。當(dāng)控制系統(tǒng)工作時(shí)，霍爾元件根據(jù)磁鋼的位置輸出高低電平，主控制芯片根據(jù)高低電平信號(hào)判斷電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，調(diào)用內(nèi)部程序輸出正確的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使電機(jī)開始動(dòng)作。隨之電機(jī)轉(zhuǎn)角的變化，霍爾元件的輸出也發(fā)生變化，主控芯片根據(jù)霍爾元件的高低電平來確定IGBT的導(dǎo)通順序，使電機(jī)持續(xù)旋轉(zhuǎn)。

2.3 IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)需求，設(shè)計(jì)IGBT隔離驅(qū)動(dòng)電路是功率驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)鍵。VLA517—01R是替代EXB841的快速型IGBT集成驅(qū)動(dòng)芯片，整個(gè)電路延遲時(shí)間不超過1μs，最高工作頻率達(dá)40～50 kHz，只需外部一個(gè)20 V電源供電，內(nèi)部可產(chǎn)生一個(gè)正驅(qū)動(dòng)電壓及反向截止電壓，模塊內(nèi)部含有過流保護(hù)和故障信號(hào)輸出電路。EXB841輸入端15和14管腳有10 mA的電流流過時(shí)，內(nèi)部光耦導(dǎo)通，3腳輸出驅(qū)動(dòng)電壓使IGBT導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)信號(hào)截止，光耦截止，3腳輸出反向電壓使IGBT截止。本文所設(shè)計(jì)的IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路如圖5所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

PIC單片機(jī)仿真器提供存儲(chǔ)器和時(shí)鐘，并能運(yùn)行代碼，即使沒有與目標(biāo)應(yīng)用板相連。在開發(fā)和調(diào)試期間，ICE提供了最強(qiáng)大的能力來發(fā)揮系統(tǒng)的所有功能，這樣允許用戶對(duì)應(yīng)用方便地進(jìn)行測試、調(diào)試和再編程?？刂破饔布娐吩O(shè)計(jì)完成以后，接下來是軟件編制工作。在軟件設(shè)計(jì)過程中，一般首先根據(jù)實(shí)際情況理清程序的運(yùn)行過程，在結(jié)合硬件電路的特點(diǎn)設(shè)計(jì)出軟件的流程圖。在具體程序設(shè)計(jì)中，一般先把要用到的中斷進(jìn)行定義和把變量定義到RAM中等，然后定義各個(gè)子函數(shù)，再編寫各個(gè)子函數(shù)，最后進(jìn)行調(diào)試。

軟件程序是系統(tǒng)的靈魂，本文所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)軟件程序由系統(tǒng)主程序、中斷服務(wù)子程序、速度檢測子程序和故障保護(hù)子程序組成。主程序中設(shè)定了系統(tǒng)的中斷信號(hào)由PIC單片機(jī)的事件管理器T2定時(shí)器的周期中斷來觸發(fā)，當(dāng)T2周期匹配時(shí)，調(diào)用中斷服務(wù)子程序，通過速度檢測子程序?qū)z測量作為反饋值與設(shè)定的速度值比較，調(diào)節(jié)PWM的占空比，實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度的調(diào)節(jié)。故障保護(hù)子程序檢測系統(tǒng)的電壓、電流和溫度，與給定安全值進(jìn)行比較，當(dāng)發(fā)成故障時(shí)，發(fā)出錯(cuò)誤警報(bào)并封鎖控制信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的保護(hù)主程序、中斷服務(wù)子程序和故障保護(hù)子程序如圖6～8所示。

4 控制系統(tǒng)與電機(jī)試驗(yàn)

將設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)與電機(jī)聯(lián)機(jī)實(shí)驗(yàn)，電機(jī)的額定功率為900 W，額定電壓為150 V，額定負(fù)載為4.31 N·m。通過示波器TDS1012觀察發(fā)現(xiàn)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下的霍爾反饋信號(hào)和理論分析結(jié)果完全一致，控制器的三路霍爾位置信號(hào)為空間上相差1200電角度的矩形波。實(shí)驗(yàn)過程分別測量負(fù)載轉(zhuǎn)矩為0N·m、2.2 N·m和4.4 N·m時(shí)電機(jī)電流，如圖9所示。從圖可知：電機(jī)的電流曲線近似于正玄波，本文所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能夠在不同負(fù)載情況下驅(qū)動(dòng)無刷直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)作，系統(tǒng)可靠性強(qiáng)、穩(wěn)定性能好。

5 結(jié)論

文中以PIC16F877A單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)了無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，包括PIC16F877A最小系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子位置檢測電路、IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路和系統(tǒng)信息反饋電路等，并編寫控制系統(tǒng)軟件流程。通過試驗(yàn)驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能夠可靠驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)可靠運(yùn)行。