基于單片機(jī)PIC16F873A無刷直流電動(dòng)機(jī)控制器的研制

吳欣

[摘 要]本文介紹了基于單片機(jī)PIC16F873A的無刷直流電動(dòng)機(jī)控制器的硬件結(jié)構(gòu)，軟件設(shè)計(jì)以及調(diào)速方案的具體實(shí)現(xiàn)。本控制器采用電流單閉環(huán)控制策略，PWM調(diào)速方式對(duì)無刷直流電機(jī)進(jìn)行控制。經(jīng)過驗(yàn)證表明，控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定可靠，調(diào)速效果良好。

[關(guān)鍵詞]PIC16F873A，無刷直流電機(jī)，PWM，調(diào)速

中圖分類號(hào)：TM33；TP368.12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2017）18-0108-01

1 引言

PIC16F873A是Microchip公司生產(chǎn)的一款具有RISC結(jié)構(gòu)的高性能中檔單片機(jī)。該單片機(jī)穩(wěn)定性好，引腳具有的防瞬態(tài)能力給系統(tǒng)提供了穩(wěn)定保障。由于該芯片價(jià)格便宜，性能穩(wěn)定，本控制器設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)PIC16F873A的無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制器的硬件框圖

本系統(tǒng)采用電流單閉環(huán)，二二導(dǎo)通的換相控制方式，并設(shè)計(jì)了欠壓，過流，堵轉(zhuǎn)等保護(hù)方式，并經(jīng)過長(zhǎng)期實(shí)踐證明，系統(tǒng)可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。本系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)的主電路

系統(tǒng)的主電路如圖2 所示。三相功率橋主電路是由6個(gè)IGBT FGA25N120構(gòu)成。本控制系統(tǒng)中電機(jī)額定電壓100V，額定電流3A。FGA25N120該器件最高工作電壓1200V，最大電流25A，完全滿足該系統(tǒng)。圖2 中采用全橋結(jié)構(gòu)可提高電機(jī)繞組的利用率，通過對(duì)6個(gè)功率的開、關(guān)控制，對(duì)電機(jī)電壓、電流波形進(jìn)行調(diào)制，使BLDCM產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。主回路中加了一個(gè)采樣電阻RS優(yōu)點(diǎn)就是可以省去一路霍爾電流傳感器，使電路結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單。在功率管G、S端并入電阻R目的是防止功率管懸空時(shí)有電流，導(dǎo)致功率管燒毀。

2.3 隔離驅(qū)動(dòng)電路

隔離驅(qū)動(dòng)電路為一路上下橋臂的隔離驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)一組上下功率管。輸入信號(hào)A1+和A1是從GAL16V8輸出的。本系統(tǒng)PWM調(diào)制方式為下橋斬波，A1是經(jīng)過斬波的PWM信號(hào)。

2.4 電流檢測(cè)與PWM生成電路

從采樣電阻取出的電流信號(hào)如圖3，由于有可能有正有負(fù)，因?yàn)橄到y(tǒng)采樣二二導(dǎo)通換相方式，每60°電角度只有兩個(gè)功率管工作，即只有兩相繞組導(dǎo)通，所以當(dāng)繞組換相時(shí)或下橋斬波時(shí)有可能產(chǎn)生反向電流，這時(shí)的電流不是我們希望檢測(cè)的，只有正向電流才是我們希望得到的。因此電路圖3中加了個(gè)二極管D4，使檢測(cè)的電流IA只能流過正向電流。

本系統(tǒng)電機(jī)調(diào)速是通過PIC輸出PWM波經(jīng)濾波后，控制TL494的死區(qū)時(shí)間來調(diào)節(jié)TL494輸出的PWM波的占空比來實(shí)現(xiàn)的。電位器DWQ1是調(diào)整給定電壓，使電壓在TL494內(nèi)部生成的鋸齒波電壓范圍之內(nèi)，與檢測(cè)的電流構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，從而進(jìn)行PI調(diào)節(jié)。此電位器的目的就是使TL494能夠?qū)崿F(xiàn)斬波，構(gòu)成電流閉環(huán)。

2.5 保護(hù)電路

本系統(tǒng)有溫度保護(hù)、過流和缺相等保護(hù)。溫度開關(guān)是用來檢測(cè)IGBT的溫度，一旦溫度超過75℃，溫度開關(guān)閉合，輸出高電平給PIC，系統(tǒng)停車。當(dāng)系統(tǒng)過流時(shí)，檢測(cè)的電流信號(hào)經(jīng)過電阻轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)與電位器設(shè)定值進(jìn)行比較，超過設(shè)定的上限值，比較器輸出高電平給PIC，系統(tǒng)掉電，從而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了保護(hù)。本系統(tǒng)還有缺相保護(hù)，即當(dāng)檢測(cè)的位置霍爾信號(hào)有一路斷開，系統(tǒng)就會(huì)停車，出現(xiàn)故障指示。

2.6 換相控制

位置傳感器輸出的信號(hào)相應(yīng)為：101、001、011、010、110、100。這樣，通過捕捉霍爾傳感器任一路輸出的跳變沿，讀取跳變沿后的霍爾傳感器輸出狀態(tài)，就可以確定轉(zhuǎn)子的新位置，實(shí)現(xiàn)定子繞組的電流換相。

3 控制器的軟件流程及部分程序

控制器的軟件指的是針對(duì)PIC16F873A芯片的應(yīng)用程序?？刂破鞯闹鞒绦虬刂破鞯某跏蓟?，主電路的充電延時(shí)程序，控制算法的編程語言實(shí)現(xiàn)，中斷流程的設(shè)計(jì)等的編寫。

4 結(jié)束語

基于PIC16F873A的無刷直流電動(dòng)機(jī)控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定可靠，調(diào)速效果良好。無刷直流電機(jī)在運(yùn)行過程中，起動(dòng)快、運(yùn)行平穩(wěn)、噪音低，能滿足家電、醫(yī)療、紡織等行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用需求。