无刷直流电机驱动控制系统设计

文:青岛橡胶轮胎有限公司 韩红敏2018年第四期

    摘要:本文根据项目参数要求,采用Microchip公司的PIC16F72单片机作为控制芯片,在硬件方面,进行了电源电路设计、系统硬件保护电路设计、三相全桥逆变电路设计、逆变器驱动电路设计。在软件方面利用汇编语言,采用模块化编程和结构化编程。根据无刷直流电机的控制原理,对系统的控制部分进行了详细分析。利用数字PI控制理论实现电机速度的闭环调制。在系统可靠性方面:设计了系统的欠压、过流和堵转保护。本文还对影响控制器和单片机系统可靠性的因素进行了分析,并且给出了解决方案.本文所设计的无刷电机控制器实现了电动、定速、助力三种工作模式并且在系统出错情况下具有自检功能。保护功能较完善、硬件结构简单、成本较低,具有升级空间,便于用户二次开发。

0前言

    80年代初,无刷直流电机进入了实用阶段,方波和正弦波无刷直流电机先后研究成功。“无刷直流电机”的概念已由最初的具有电子换相器的直流电机发展到泛指一切具有传统直流电机外部特性的电子换相电机。现今,无刷直流电机集电机、变速机构、检测元件、控制软件和硬件于一体,形成为新一代的电动调速系统。无刷直流电机具有最优越的调速性能,主要表现在:调速方便(可无级调速),调速范围宽,低速性能好(启动转矩大,启动电流小),运行平稳,噪音低,效率高,应用场合从工业到民用极其广泛。如电动自行车、电动汽车、电梯、抽油烟机、豆浆机、小型清污机、数控机床、机器人等等.由于无刷直流电机具有这些优点,因此在2004年的国际电机会议上提出了有刷电机将被无刷电机取代这一发展趋势。美、日、英、德在工业自动化领域中已经实现了以无刷直流电机代替有刷电动机的转换。

    美国福特公司率先把无刷直流电机应用于汽车20世纪80年代以来,随着微机控制技术的快速发展,出现了各种称为无位置传感器控制技术的方法,是当代无刷直流电机控制研究的热点之一。各国知名半导体公司如Allegro,Philips,MicroLinear,Toshiba等,先后推出了许多无刷直流电机无传感器控制集成电路。

    2004年12月我国电机制造业共1167家生产企业,全部从业人员388282人,资产972亿。我国生产的微特电机己经占世界60%以上,目前是全球最大的永磁体(生产无无刷直流电机控制系统设计刷电机的主要原材料)生产供应基地,中国还将会成为全球最大的无刷电机生产国。随着汽车工业的快速发展,车用小功率电机的需求增长带动了以永磁无刷直流电机为主体的车用小功率电机的兴起,我国正在成为世界电动汽车制造业的主要供应商。

    稀土永磁无刷直流电机是近20年发展起来的一类电机,电力电子技术,微电子技术、微机和稀土永磁材料的发展为无刷直流电机的研究奠定了基础。目前无刷直流电机的发展已经和大功率开关器件、专用集成电路、稀土永磁材料、微机、新型控制理论及电机理论的发展紧密结合,显示出广泛的应用前景和强大的生命力。与其它电机相比它具有几个明显优点:①永磁无刷直流电机没有电刷、而是利用电子换相,故克服了任何由电刷硬气的问题。②永磁体安装在转子上、电枢绕组装在定子上,故导热性能好,产生的热量更容易散发出去;结构也变得简单,并且节省了空间,使其磁场损失也得到了减少。③它的效率与转速永远保持同步关系,不会发生失步、震荡等现象,在节约能源方面也有明显优势。

1无刷电机控制系统分析

1.1三相无刷直流电机星形连接全桥驱动原理

    无刷直流电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数的影响,在转子极数固定情况下,改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。无刷直流电机控制器包括电源部分和控制部分,如图1所示。电源部分提供三相电源给电机,控制部分则按照需求转换电源频率。电源部分可以直接以直流电输入或者以交流电输入,如果是以交流电输入就需先经转换器(converter)转成直流电。不论是直流电输入或是交流电输入,送入电机线圈前须先将直流电压由逆变器(inverter)转成三相电压来驱动电机。逆变器一般由六个功率晶体管,分为上桥臂和下桥臂,连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部分则提供PWM脉冲宽度调制信号决定功率晶体管开关频率及逆变器换相的时机。对于无刷直流电机,当负载变动时,一般希望速度可以稳定于设定值而不会有太大的变动,所以电机内部装有霍尔传感器(hall-sensor),作为速度的闭回路控制,同时也作为相序控制的依据。

    电机转动由霍尔传感器感应到的电机转子所在位置,决定开启或关闭逆变器中功率晶体管的顺序来控制,如图2所示,逆变器中的AH,BH,CH(上桥臂功率晶体管)及AL,BL,CL(下桥臂功率晶体管),使电流依序流经电机线圈,产生顺向或逆向旋转磁场,并与转子磁铁产生的磁场相互作用,使电机顺向或逆向转动。当电机转子转动到霍尔传感器感应出另一组信号的位置时,控制部又再开启下一组功率晶体管,如此循环,电机就可以实现转动.功率晶体管的开启方法举例如下:AH,BL一组—>AH,CL一组—>BH,CL一组—>BH,AL一组—>CH,AL一组—>CH、BL一组,但不能使AH,AL或BH,BL或CH,CL,即同相上下桥臂同时导通.此外,因为电子零件总有开关的响应时间,所以功率晶体管在关与开的交错时间要将零件的响应时间考虑进去,否则当上臂(或下臂)尚未完全关闭,下臂(或上臂)就已开启,结果就造成上、下臂短路而使功率晶体管烧毁。设电机转子位置传感器采集的位置信号为Ha,Hb,Hc,分别对应于逆变器的A相、B相、C相。

    在电机转动时,控制部分会根据系统设定的速度决定功率管的导通时间。若系统要求加速,则增长功率管导通的时间,若要求减速,则缩短功率管导通的时间,此部分工作由PWM脉宽调制信号控制。

图1三相无刷直流电机工作原理

InverterMOTOR

图2逆变器原理图

2无刷直流电机控制器硬件设计

    无刷直流电机控制器在控制方式上主要有以专用集成芯片、单片机和DSP芯片控制三种方式。以专用集成芯片为核心的控制器,系统结构简单,价格较便宜,但是系统灵活性不足,保护功能有限:以DSP芯片为核心的控制器,控制精度较高,但是算法较复杂,开发周期长,成本较高,不易在市场上推广。本设计使用单片机作为主控芯片可以弥补上述两方案的不足。

2.1硬件组成

本控制器根据项目参数要求应具有如下功能:

(1)具有电动、定速、助力三种工作模式:在电动模式下,控制系统能够根据电动车转把所给电压,正常加电运转;定速模式下,无需按住转把,电动车能够按照设定速度运行:助力模式下,能够根据助力传感器测得的骑车者的用力实现助力骑行.三种工作模式可通过模式转换按钮切换。

(2)当系统出错或者位置传感器、助力传感器出错时能够进入自检模式并显示错误。

(3)能够实现系统的欠压保护、过流保护、堵转保护。

(4)能够实时显示电动车的状态。

根据上述功能,所设计的系统硬件框图。如图3所示。

图3硬件系统框图

2.2三相全桥逆变电路和驱动电路

    逆变电路和驱动电路是主控芯片与被控电机之间联系的纽带,其传输性能的好坏直接影响着整个系统的运行质量。其功能是将电源的功率以一定逻辑关系分配给无刷直流电动机定子上各相绕组。功率场效应晶体管具有开关速度快、高频特性好、输入阻抗高、驱动功率小、热稳定性优良、无二次击穿问题、安全工作区宽和跨导线性度高等显著特点,因而在各类中小功率开关电路中得到了广泛的应用。

    在本控制系统中就采用了MOSFET组成的逆变器变换电路。根据第二节所述,半桥逆变器的控制比较复杂,需要六组控制信号,电机三相绕组的工作也相对独立,必须对三相电流分别控制。而全桥逆变器的控制比较简单,只需三组独立控制信号,且任一时刻导通的两相电流相等,只要对其中一相电流进行控制,另外一相电流也得到了控制.因此本设计采用全桥逆变电路来控制各相位的导通,如图2所示。

    本设计中逆变器上下桥臂都采用N沟道MOSFET管。P型MOSFET管由于工艺的原因,参数一致性较差,价格较贵,而且其内阻比N沟道的MOSFET管大,损耗也大。因此,当前的无刷控制器一般都采用两个N沟道MOSFET管组成逆变器的一相。当功率MOSFET管用作开关,被驱动饱和导通,即在它的两极之间压降最低时,其栅极驱动要求可概括如下:

(1)栅极电压一定要比漏极电压高10~15V,用作高压侧开关时其栅极电压必定高于干线电压,常常可能是系统中的最高电压.

(2)栅极电压从逻辑上看必须是可控的,它通常以地为参考点。

(3)栅极驱动电路吸收的功率不会显著地影响总效率。

本系统中功率MOSFET的漏极电压为36V,本系统的最高电源电压也为36V。为满足栅极高于漏极10V~15V的要求,需要采用升压电路。

3软件设计

3.1主程序设计

    主程序上电复位后完成系统初始化:PWM,ADC端口、定时器等单元的初值设置;中断设置;变量、标志寄存器的初始化。为了防止在初始化的过程中,中断的意外到来,应在主程序的开始处先关闭全局中断。初始化完成后,进入自检程序,若各电器信号正常,则2秒后退出自检模式。重新对相关寄存器,定时器赋初值,打开INT外部中断,即允许模式转换按钮中断。判断电机启动是否成功,如果成功进入正常工作模式函数,若有非法状态,停电机,程序跳入自检模式进行自检。

    系统进入到正常工作模式的主循环时,首先判断系统处于何种工作模式,然后检查系统是否处于非法态,如果出现欠压、过流、堵转等错误,则停机,程序跳入到自检状态;否则,判断是否有刹车信号,如没有,进入判断模式及模式功能处理函数:如果有,则停机,等待刹车结束信号。刹车结束后,如果工作模式为定速模式,则退出定速模式,进入电动模式。

    在电动模式下,单片机采集转把电压信息,控制输出的PWM信号的占空比;定速模式下,转把信号无效,程序根据模式转换前输出的PWM占空比恒定输出;助力模式下,根据定时器TO采集助力传感器的高低电平时间,控制PWM信号的占空比。在这个过程中,始终允许KMOD按键中断,因此可以通过按下KMOD键切换电动、定速和助力三种模式。

3.2系统软件调试

    由Microchip公司推出的MPLAB集成开发环境(ME)是综合的编译器、项目管理器和设计平台,适用于使用Microchip的PIC系列单片机进行嵌入式设计的应用开发。首先,在仿真环境中通过输入源程序、编译、修正、单步执行、断点执行、全速执行等过程观察程序执行到指定位置的结果,将软件的逻辑结构调试正确。接着,调试面板显示模块,只有正确的显示,才能够明确后续调试过程的正确与否。

    其次,调试模数转换模块。调模数转换子程序时,要对每个通道逐一调试。先调试0号通道:将通道号置为0,并给0号通道的入口接上稳压源,电压在0—5V之间。调用模数转换子程序,在寄存器中读出转换结果,并与理论值比较,判断转换结果是否准确。对其余通道的调试方法与0好通道的调法相同,调试中发现模数转换有时不准确,因此延长转换的等待时间,问题得以解决。调试中发现点亮指示灯不随采集的电压信号改变,后发现是电压等级定义的不正确。

    调试PWM输出模块时,用示波器观察CCP模块输出是佛正确,然后调试INT中断,试验中发现首次模式转换时会有问题,电动模式转换到定速模式或主力模式不定,延长从电动模式转换到定速模式所要求的时间,问题解决,加上刹车信号,当在定速模式下按下刹车时,灯全亮正确,但当刹车解除时,仍显示为定速模式,而此时观察寄存器已转为电动模式,经检查发现是由于显示更新不及时照成,在此处调用显示子程序。调式电动或定时模式,确定转把给定值与转速的关系。调试中发现有时在没有给定转把电压的情况下,电机发生运转,此时应在初始化中对脉宽值清零。

4结论

    本文提出的基于PIC单片机控制的电动自行车控制系统的设计方案是可行的,能实现快速、精确的调速,且系统可靠性强,调试方便。实验样车起动时比较平稳,在起动和运行中过载时,没有出现因大电流而损坏电子器件或电机的现象。系统的过流保护值为10A、欠压保护值为31V,并且堵转和自检保护工作正常,运行时的面板显示部分工作正常。控制电路的对称半桥调制能实现电压电流波形对称,转矩脉动和开关损耗都小,是理想的调制方式。

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