無(wú)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）
摘要：針對(duì)一種小功率 無(wú)刷直流電機(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(wú)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(wèn)題及解決方法進(jìn)行了詳細(xì)的分析。 關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(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(wú)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(jiǎn)潔、低成本無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(guò)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(guò)流保護(hù)通過(guò)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�，以此作為輸入單片機(jī)的過(guò)流中斷指示信號(hào)，并由單片機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)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(guò)壓、欠壓、過(guò)流保護(hù)，為了使啟動(dòng)時(shí)電流不至過(guò)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(guò)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(lái)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(wú)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(jiǎn)單、可靠，在此不再祥述。
2.3編程關(guān)鍵問(wèn)題及解決方法
(1) PWM波的產(chǎn)生
利用C8051F320內(nèi)部PCAO中的8位脈寬調(diào)制功能可產(chǎn)生PWM波。通過(guò)改變PCAOCPHO寄存器值，即可以實(shí)時(shí)的改變PWM占空比。
(2)換相與斬波的合成
C8051F320根據(jù)檢測(cè)到的三路Hall信號(hào)，通過(guò)查表法得出的三相橋式逆變器的六路換相信號(hào)，再與PWM信號(hào)進(jìn)行邏輯與運(yùn)算，完成對(duì)六路換相信號(hào)的斬波合成，最后經(jīng)單片機(jī)的六個(gè)I/O端口直接輸出到IR2130的六路輸入控制端，換相斬波程序流程圖如圖4所示。
為使電機(jī)正常運(yùn)行，在主程序中需要不斷地循環(huán)運(yùn)行換相斬波程序，而在進(jìn)行轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)時(shí)，又需要運(yùn)行捕獲中斷服務(wù)子程序。由于51單片機(jī)在同一時(shí)刻只能執(zhí)行其中的一個(gè)程序，因此在控制電機(jī)運(yùn)行的換相斬波程序與PI算法程序之間就出現(xiàn)了運(yùn)行時(shí)間上的矛盾，而這兩個(gè)程序又是保證電機(jī)穩(wěn)速運(yùn)行最關(guān)鍵的兩個(gè)子程序，所以兩個(gè)子程序的協(xié)調(diào)運(yùn)行就成為整個(gè)控制程序中最關(guān)鍵的技術(shù)。
運(yùn)行測(cè)速程序及PI程序的時(shí)間經(jīng)實(shí)測(cè)為360μs，在這段時(shí)間里無(wú)法實(shí)現(xiàn)電機(jī)的換相斬波程序，敞換相斬波信號(hào)仍處于進(jìn)入PI之前的運(yùn)行狀態(tài)，電機(jī)由于慣性會(huì)使保持轉(zhuǎn)動(dòng)，但電流會(huì)出現(xiàn)異常，其波形如圖5中的曲線2所示。由其它中斷服務(wù)程序語(yǔ)句及計(jì)算量都很小，所以該運(yùn)行時(shí)間的沖突不會(huì)影響斬波及換相。
 由圖5曲線2可以看出，母線電流會(huì)在某些時(shí)刻出現(xiàn)很大的尖峰，而在某些時(shí)刻會(huì)降為零，圖5中曲線1所示波形表示當(dāng)進(jìn)入捕獲中斷服務(wù)子程序時(shí)（包括測(cè)速與PI計(jì)算部分），令所測(cè)信號(hào)為高電乎，當(dāng)要跳出時(shí)讓所測(cè)信號(hào)為低電平（圖6相同）；圖6曲線2波形為六路換相斬波信號(hào)中的一路；通過(guò)對(duì)比捕獲中斷服務(wù)子程序運(yùn)行時(shí)間的測(cè)試信號(hào)、一路換相斬波信號(hào)與母線電流采樣波形可以看出，正是由于運(yùn)行捕獲中斷服務(wù)子程序而使得在這段時(shí)間內(nèi)，換相信號(hào)無(wú)法斬波而保持進(jìn)入PI之前的狀態(tài)。由于PWM占空比是不斷調(diào)節(jié)的，所以這個(gè)狀態(tài)或?yàn)椤?”或?yàn)椤?”，360 ps相對(duì)于每個(gè)MOS管斬波時(shí)間（電機(jī)l 500 r/rnin時(shí)斬波時(shí)間為2 ms）比較小，所以此處的“1”或“O”只會(huì)影響到斬波，不會(huì)影響換相。當(dāng)此狀態(tài)為“1”時(shí)，相當(dāng)于使電機(jī)由斬波運(yùn)行狀態(tài)立即變?yōu)槿妷哼\(yùn)行狀態(tài)，故母線電流會(huì)瞬間升高，出現(xiàn)電流尖峰，而由于慣性的存在，轉(zhuǎn)速不會(huì)發(fā)生突變；而當(dāng)此扶態(tài)為“O”時(shí)，相當(dāng)于馬上封鎖六路輸出，使電機(jī)運(yùn)行于零電壓狀態(tài)，電流瞬間掉為零（若電機(jī)電感大也可能是一個(gè)很小的值），同樣，由于慣性轉(zhuǎn)速不會(huì)突變。
解決方法：電流的尖峰沖擊對(duì)電機(jī)及控制器是有害的，為了解決母線電流尖峰問(wèn)題，在程序進(jìn)入捕獲中斷服務(wù)子程序時(shí)（即測(cè)速+PI），立即封鎖六路輸出，強(qiáng)制電機(jī)母線電流為零，待捕獲中斷服務(wù)子程序（測(cè)速+ PI）時(shí)執(zhí)行結(jié)束，返回主程序后，回復(fù)換相斬波程序，六路輸出按換相斬波程序計(jì)算結(jié)果輸出，使電機(jī)正常工作。
由于捕獲中斷服務(wù)子程序（測(cè)速+ PI）執(zhí)行的時(shí)間很短，電機(jī)運(yùn)行及調(diào)速一般不會(huì)受到影響，但對(duì)電流的影響明顯。圖7曲線2為A相繞組的相電流波形（圖8與之相同），圖8曲線2是改進(jìn)程序后的母線電流波形，由此可以看出，這種方法會(huì)使電機(jī)在程序運(yùn)行捕獲中斷服務(wù)子程序時(shí)運(yùn)行在斷電狀態(tài)，這個(gè)時(shí)間很短，母線電流無(wú)尖峰，峰值平穩(wěn)，但會(huì)使電機(jī)運(yùn)行的機(jī)械特性稍微變軟。
3試驗(yàn)結(jié)果
試驗(yàn)電機(jī)選用某型IOOW/12VDC無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，6對(duì)極，穩(wěn)逮精度要求(1 500±20) r/min，起動(dòng)時(shí)間1 s~2 s。由圖9可以看出，電機(jī)的起動(dòng)時(shí)問(wèn)約在Is左右，由圖10可以計(jì)算出實(shí)際穩(wěn)速精度高于(8/1500)×1000=百分之5.3。
4結(jié)論
本文提出的這種單片機(jī)控制方法能夠很好的實(shí)現(xiàn)小功率無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)速控制，無(wú)需專用的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制芯片，一片普通單片機(jī)即可完成換相斬波、測(cè)速、及其控制算法，結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)，電路板體積小，實(shí)現(xiàn)容易；但缺點(diǎn)在于換相斬波程序與控制算法運(yùn)行時(shí)間上的矛盾會(huì)使在斬渡換相在程序運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)短時(shí)間的中止。使機(jī)械特性小幅度變軟，不適合拖動(dòng)較大負(fù)載。
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