基于單片機的無刷直流電動機速度控制系統(tǒng)設(shè)計

咸陽師范學(xué)院 田 凱 樊戰(zhàn)亭 張小青 李丁丁

基于單片機的無刷直流電動機速度控制系統(tǒng)設(shè)計

咸陽師范學(xué)院 田 凱 樊戰(zhàn)亭 張小青 李丁丁

【摘要】本文以STC12C5A60S2 單片機為核心設(shè)計出了無刷直流電動機速度控制系統(tǒng)，給出了控制系統(tǒng)總體方案。設(shè)計出了系統(tǒng)的硬件電路，包括由MOSFET構(gòu)成三相逆變及其驅(qū)動電路、轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速給定電路和LCD顯示電路等，并給出了控制系統(tǒng)軟件流程。制作出了控制系統(tǒng)實物，驗證了本文所設(shè)計的控制系統(tǒng)能夠可靠驅(qū)動無刷直流電機可靠運行。

【關(guān)鍵詞】無刷直流電動機；單片機；控制系統(tǒng)

項目來源：咸陽師范學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目（項目編號：201410722023）。

0 引言

直流電動機相比與交流電動機具有控制簡單、調(diào)速性能優(yōu)良等優(yōu)點，但是傳統(tǒng)的直流電動機采用電刷和換向器機械接觸式的結(jié)構(gòu)進行換向，換向過程存在火花、噪聲和電磁干擾，對周圍電氣設(shè)備造成很大的影響。同時長時間運行電刷會產(chǎn)生磨損，需要定期檢查和更換。無刷直流電動機使用電子換向取代了機械換向，具有可靠性高、調(diào)速性能好等優(yōu)點，在儀器儀表、機床、電動自行車等工業(yè)及民用領(lǐng)域中得打了比較廣泛的應(yīng)用［1］。

無刷直流電動機的現(xiàn)在的控制主要分為兩種：一種是采用專用集成電路，還有一種是采用微處理器進行控制。專用集成電路控制的特點是系統(tǒng)構(gòu)成簡單、調(diào)試方便、性能穩(wěn)定，但是專用集成電路以硬件方式完成對無刷直流電動機的控制，不具有可編程的特點，對速度的控制不精確，功能難以擴展。微處理器控制的優(yōu)點控制規(guī)律主要由軟件實現(xiàn)、在硬件電路確定后，系統(tǒng)的升級可以通過軟件改進來實現(xiàn)，整個系統(tǒng)實現(xiàn)更加方便靈活［2］。本文設(shè)計了以STC12C5A60S2單片機核心的無刷直流電動機速度控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)對無刷直流電機的調(diào)速控制。

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計

無刷直流電動機（BLDC）一般由電動機本體、轉(zhuǎn)子位置檢測器兩個部分主要組成。電動機本體包括定子電樞繞組和帶有永磁結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子位置的檢測一般用3個位置相差1200霍爾位置傳感器來完成。要控制無刷直流電動機進行連續(xù)運轉(zhuǎn)，微處理器首先根據(jù)無刷直流電動機本身所帶有的位置傳感器測得的電機轉(zhuǎn)子位置再有序地觸發(fā)驅(qū)動逆變電路中的各個功率管，控制電機定子繞組進行有序換相，產(chǎn)生跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場，與轉(zhuǎn)子上永磁體相互作用，以驅(qū)動無刷直流電動機連續(xù)工作。無刷直流電動機控制系統(tǒng)總體原理框圖，如圖1所示。

本設(shè)計采用了STC單片機STC12C5A60S2作為主控芯片，輸入控制包含轉(zhuǎn)向控制和轉(zhuǎn)速控制兩部分，轉(zhuǎn)向控制用來控制電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止，轉(zhuǎn)速控制控制BLDC的速度。轉(zhuǎn)子位置信號電路能夠根據(jù)BLDC中的三個霍爾元件產(chǎn)生的信號檢測出轉(zhuǎn)子位置信號，并輸入到單片機中。單片機根據(jù)電機轉(zhuǎn)子的位置及轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速控制信號，控制輸出信號，驅(qū)動電路把單片機輸出的控制信號進行放大，驅(qū)動三相逆變電路中MOSFET管的導(dǎo)通，控制無刷直流電動機進行電子換相，最終達到控制無刷直流電動機連續(xù)運轉(zhuǎn)的目的。 單片機利用通過檢測轉(zhuǎn)子位置信號計算出電機的實際轉(zhuǎn)速，并把轉(zhuǎn)速通過LCD 顯示器進行顯示。

圖1 無刷直流電動機控制系統(tǒng)總體原理框圖

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)的核心為STC公司單片機STC12C5A60S2，它有著快速高效、較低的功率消耗以及非常強的抗干擾能力的特征，是8051系列單片機芯片的增強型，它的程序和一般的8051系列單片機可以相融合，而且效率更高；還有兩路PWM，以及8路的最高10位A/D轉(zhuǎn)換其速度可達250kHZ，適用于電機控制和強干擾場合［3］?？刂葡到y(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

圖2 無刷直流電動機控制系統(tǒng)硬件框圖

2.1 輸入控制部分

P1.1、P1.4和P1.0輸入口對應(yīng)的控制按鈕按下時，相應(yīng)輸入端口為零，分別控制BLDC電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止。P1.7接滑動變阻器給定的0～5V分壓輸入模擬信號，通過內(nèi)部的8位AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后控制P1.3輸出PWM波，控制電機的轉(zhuǎn)速。P3.5～P3.7分別接BLDC電機霍爾元件，用來檢測轉(zhuǎn)子的位置。

2.2 驅(qū)動及逆變電路部分

逆變電路由VT1、VT3、VT5三個P溝道MOSFET及VT2、VT4、VT6三個N溝道MOSFET組成。驅(qū)動電路主要由集電極開路驅(qū)動器7407及與門7409組成，7407輸出控制部分均需要接上拉電阻完成控制信號的放大輸出。由P2.3～P2.5輸出控制端經(jīng)7407放大后控制三個P溝道MOSFET管的通斷。P1.3為單片機PWM波輸出，同時與7409中1B、2B和3B相連，再分別于P2.0～P2.2輸出口相連接的1A、2A、3A端相與后經(jīng)7407芯片放大后控制三個N溝道MOSFET管的通斷。如果P1.3輸出PWM波占空比較大，電機旋轉(zhuǎn)一圈通電時間長則電流大，電機轉(zhuǎn)速大。反之，占空比較小大，電機旋轉(zhuǎn)一圈通電時間短，電機轉(zhuǎn)速就小。

2.3 顯示部分

顯示部分主要由LCD1602構(gòu)成，由單片機STC12C5A60S2的復(fù)用口P4.4～P4.7分別控制LCD1602的RS、RW和EN口，P0負(fù)責(zé)給LCD顯示器傳送數(shù)據(jù)。LCD顯示器主要顯示電機的正轉(zhuǎn)（left）、反轉(zhuǎn)（right）狀態(tài)及具體速度大小。

2.4 電路保護

為了防止出現(xiàn)逆變電路同一橋臂出現(xiàn)直通導(dǎo)致整個驅(qū)動電路出現(xiàn)短路的情況，接入了自恢復(fù)式熔斷器。當(dāng)在整個電路電流超過1A時，自恢復(fù)熔斷器會自動斷開，當(dāng)電路正常時自恢復(fù)式熔斷器就能夠恢復(fù)正常工作。

圖3 主程序流程框圖

主程序主要控制BLDC電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止，其中初始化程序包含I/O口、LCD、中斷測速、PWM寄存器等多個初始化過程。電機控制過程中，首先要確定正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)不能直接轉(zhuǎn)換，如果正反轉(zhuǎn)要進行轉(zhuǎn)換，需要把當(dāng)前狀態(tài)先停止然后再轉(zhuǎn)換為相反的狀態(tài)。目的主要是防止正、反轉(zhuǎn)在直接轉(zhuǎn)換過程中逆變電路同一個橋臂出現(xiàn)直通情況，防止逆變電路出現(xiàn)短路的狀況。

圖4 轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速子程序框圖

圖5 測速及顯示中斷子程序框圖

圖4所示為電機轉(zhuǎn)向機轉(zhuǎn)速子程序框圖，P1.7端口把轉(zhuǎn)速給定電壓通過單片機內(nèi)部8位AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再讀取霍爾元件的狀態(tài)確定電機轉(zhuǎn)子的位置，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量與單片機內(nèi)部給定值相比作為PWM波的占空比，通過P1.3口進行輸出，控制7409芯片的1B、2B和3B端口，就可以控制電機的轉(zhuǎn)速。最后單片機根據(jù)主程序中的轉(zhuǎn)向信號和霍爾元件檢出的轉(zhuǎn)子信號給P2.0～P2.5寫控制字就能夠控制電機的轉(zhuǎn)向［4］。圖5為測速及顯示中斷子程序，對單片機的定時中斷進行循環(huán)調(diào)用，構(gòu)成一個1秒的定時，同時確定一個霍爾元件的狀態(tài)位，每檢測到此狀態(tài)時轉(zhuǎn)速就加1，1秒結(jié)束后對轉(zhuǎn)速進行顯示，同時把計數(shù)清零進入下一個1秒的測速。

4 系統(tǒng)測試及結(jié)論

無刷直流電動機控制系統(tǒng)實物如圖6所示。進行系統(tǒng)測試時，首先給系統(tǒng)上電，然后選擇正（left）轉(zhuǎn)或反（right）轉(zhuǎn)確定電機的轉(zhuǎn)向，再手動旋轉(zhuǎn)實物圖中的左下端按鈕改變P1.7口輸入轉(zhuǎn)速控制電壓，用來控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速能夠通過LCD進行顯示。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)5～80r/s之間的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。為了達到某一給定轉(zhuǎn)速，能夠通過調(diào)節(jié)綠色按鈕及LCD顯示結(jié)果進行比較實現(xiàn)較為準(zhǔn)確的速度控制。

圖6 無刷直流電動機控制系統(tǒng)實物圖

文中以STC12C5A60S2 單片機為核心設(shè)計了無刷直流電動機控制系統(tǒng)，包括由MOSFET構(gòu)成三相逆變及其驅(qū)動電路、轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速給定電路和LCD顯示電路等，并給出了控制系統(tǒng)軟件流程。通過制作控制系統(tǒng)實物驗證了本文所設(shè)計的控制系統(tǒng)能夠可靠驅(qū)動無刷直流電機可靠運行。

參考文獻

［1］張琛.直流無刷電動機原理及應(yīng)用［M］.北京∶機械工業(yè)出版社，2006.

［2］孫建忠，白鳳仙.特種電機及其控制［M］.北京∶中國水利水電出版社，2005.

［3］宏晶公司.STC12C5A60S2系列單片機器件手冊［M］.2011.

［4］盧靜，陳非凡，張高飛，施涌潮.基于單片機的無刷直流電動機控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.北京機械工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2002（12）∶44-47.

作者簡介：

田凱（1994—），陜西西安人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于咸陽師范學(xué)院，曾獲國家大學(xué)生電子競賽陜西賽區(qū)二等獎。