王 楨，周 洪，陸瑜吉

（金陵科技學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇南京 211169）

傳統(tǒng)直流有刷電機(jī)內(nèi)含碳刷，以機(jī)械方式換相，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且可靠性差，所以人們一直都在尋找更加可靠且具有相似特性的電機(jī)作為替代[1-4]。隨著晶體管的發(fā)展，通過晶體管構(gòu)成的電子電路進(jìn)行換相的無刷直流電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生[5]。無刷直流電機(jī)具有良好的啟動(dòng)和調(diào)速性能，同時(shí)兼具易實(shí)現(xiàn)、易維護(hù)、穩(wěn)定性強(qiáng)和效率高的特點(diǎn)[6]，被廣泛應(yīng)用在家電、汽車電子、工業(yè)和航空領(lǐng)域[7-8]。其控制芯片主要有單片機(jī)、DSP 以及FPGA 等，單片機(jī)以開發(fā)成本低、控制性能好、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)成為當(dāng)前應(yīng)用較多的芯片[9]。相較于國外的技術(shù)水平，我國雖然永磁材料豐富，在無刷直流電機(jī)上取得了較快的發(fā)展，但仍和國外有一定的差距[10-11]。此外，無刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路中必須要有可靠的保護(hù)電路，如欠壓保護(hù)以防止電機(jī)損壞[12-13]。

文中介紹了無刷直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)原理和數(shù)學(xué)模型，然后以STC12C5A60S2 為主控芯片，設(shè)計(jì)了調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路，用C 語言編寫了系統(tǒng)的調(diào)速程序，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性。

1 無刷直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

無刷直流電機(jī)的主體由帶有繞組的定子和永磁轉(zhuǎn)子組成。電機(jī)工作時(shí)，給內(nèi)部的定子繞組通電產(chǎn)生磁場，與永磁轉(zhuǎn)子互相作用形成電磁轉(zhuǎn)矩，從而使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

霍爾傳感器在無刷直流電機(jī)中負(fù)責(zé)測定當(dāng)前時(shí)刻永磁轉(zhuǎn)子的磁極位置，為電機(jī)的換相提供正確信號。當(dāng)無刷直流電機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子經(jīng)過相應(yīng)的霍爾傳感器時(shí)，霍爾傳感器會(huì)輸出一個(gè)信號，該信號被送到控制芯片，控制芯片處理后發(fā)出控制信號使得相應(yīng)的定子繞組通電，繞組產(chǎn)生磁場使得轉(zhuǎn)子可以繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)下去，以此往復(fù)循環(huán)。

2 無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

為了簡化模型，作出如下假設(shè)：

1）定子繞組的電阻和互感均相等；

2）忽略電樞反應(yīng)和鐵芯飽和；

3）各定子繞組空間對稱；

4）全橋電路的開關(guān)管和續(xù)流二極管均為理想器件。

無刷直流電機(jī)的等效電路如圖2 所示。

圖2 無刷直流電機(jī)等效電路

根據(jù)圖2可以得出各個(gè)定子繞組的端電壓方程：

式中，ua、ub、uc為三相定子繞組的端電壓，ia、ib、ic為各定子繞組的電流，ea、eb、ec為各定子繞組的反電勢，R為各定子繞組的電阻，L為每相繞組的自感，M為繞組之間的互感。

電磁轉(zhuǎn)矩可表示為：

式中，ωm是電機(jī)的機(jī)械角速度。

電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程為：

式中，TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，J為電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，B為阻尼系數(shù)。

3 調(diào)速系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

在該調(diào)速系統(tǒng)中，硬件電路包括降壓整流電路、電壓采集電路、電流采集電路和全橋逆變電路等電路。硬件電路系統(tǒng)框圖如圖3 所示。

圖3 硬件電路系統(tǒng)框圖

其中，降壓整流電路采用24 V 直流可調(diào)穩(wěn)壓電源代替。由于單片機(jī)單個(gè)引腳可以承受的電流不能超過20 mA，故需要對電流采集電路做特殊處理，如圖4 所示。主回路的電流流過采樣電阻產(chǎn)生微弱的壓降信號，經(jīng)過運(yùn)放放大后輸入單片機(jī)的P1.0 引腳。電壓采集電路同理，單片機(jī)的單個(gè)引腳輸入不可超過5 V，故設(shè)計(jì)一個(gè)電阻分壓電路以采集母線電壓，并輸入P1.1 引腳。

圖4 電源輸入以及采樣電路

STC12C5A60S2 的最小系統(tǒng)電路如圖5 所示。

圖5 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

按鍵電路包括3 個(gè)按鍵，如圖6 所示，其主要功能是實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的啟停，正轉(zhuǎn)加速/反轉(zhuǎn)減速和正轉(zhuǎn)減速/反轉(zhuǎn)加速。3 個(gè)按鍵分別接至STC12 C5A60S2 的P2.1、P2.2 和P2.3。當(dāng)沒有按鍵按下時(shí)，3 個(gè)引腳都是高電平狀態(tài)，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，該按鍵所連的引腳被拉至低電平，單片機(jī)檢測到低電平信號后便執(zhí)行相應(yīng)的策略。

圖6 按鍵電路

LCD1602 液晶顯示電路和無刷直流電機(jī)的霍爾傳感器接線電路如圖7 所示。LCD1602 負(fù)責(zé)顯示一些比較重要的參數(shù)，比如直流母線電壓、電流、電機(jī)工作狀態(tài)和轉(zhuǎn)速?；魻杺鞲衅麟娐坟?fù)責(zé)將信號傳至P3.5、P3.6 和P3.7 引腳，以此讓單片機(jī)判斷電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。

圖7 LCD1602及霍爾傳感器電路

驅(qū)動(dòng)電路由一個(gè)四路與門芯片和3 個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)芯片組成，如圖8 所示。P1.3 是STC12C5A60S2 的PWM 輸出引腳，通過3 個(gè)與門拓展成三路PWM 信號，同時(shí)由另外3 個(gè)引腳P3.2、P3.3 和P3.4 控制三路PWM 信號的有無。在此基礎(chǔ)上，與門輸出的PWM信號輸入給各個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)芯片的2 號引腳，再由P1.5、P1.6 和P1.7 輸入給各個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)芯片的3 號引腳，對芯片進(jìn)行使能控制，即控制驅(qū)動(dòng)芯片有無輸出。在驅(qū)動(dòng)芯片3 號引腳允許使能時(shí)，7 號引腳的輸出和2 號同相，5 號引腳的輸出和2 號反相，這也避免了同一橋臂上、下管同時(shí)導(dǎo)通造成短路。由此便可通過單片機(jī)控制三相全橋電路6 個(gè)開關(guān)管的通斷。

圖8 驅(qū)動(dòng)電路

三相全橋逆變電路使用6 個(gè)MOSFET 場效應(yīng)管實(shí)現(xiàn)，由VT1 和VT4、VT3 和VT6、VT5 和VT2 構(gòu)成三相的3 個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂使用單獨(dú)的半橋驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)，無刷直流電機(jī)的3 個(gè)定子繞組分別接至各個(gè)橋臂上開關(guān)管的源極和下開關(guān)管的漏極之間，如圖9 所示。用來控制的PWM 調(diào)制可以在維持直流母線電壓恒定的情況下，通過控制開關(guān)管的通斷來改變施加到定子繞組端電壓脈沖的寬度，從而實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的調(diào)速。文中的調(diào)速系統(tǒng)以兩兩導(dǎo)通的方式工作，選用H_PWM-L_ON型調(diào)制方式，即對上橋臂開關(guān)管進(jìn)行PWM 調(diào)制，而下橋臂開關(guān)管恒通的工作方式。

圖9 三相全橋逆變電路

4 調(diào)速系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

調(diào)速系統(tǒng)的程序中，檢測無刷直流電機(jī)的霍爾傳感器信號并作出相應(yīng)的換相策略是該程序設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。該調(diào)速系統(tǒng)使用的無刷直流電機(jī)57BL 55S06-230TF9 參數(shù)如表1所示。

表1 無刷直流電機(jī)參數(shù)

無刷直流電機(jī)在兩兩導(dǎo)通的工作制下一個(gè)周期內(nèi)有6 種磁場狀態(tài)，這6 種狀態(tài)連續(xù)循環(huán)就能使電機(jī)朝指定的方向一直轉(zhuǎn)動(dòng)[14-16]。在這6 種狀態(tài)的變化中，需要獲取電機(jī)霍爾傳感器的信號，以此為依據(jù)進(jìn)行判斷，決定使上、下橋臂哪兩個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通。

該無刷直流電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速為4 800 rpm，即80 rps。因此，單片機(jī)每秒內(nèi)檢測霍爾傳感器信號的次數(shù)必須遠(yuǎn)大于80 次才可以保證電機(jī)的持續(xù)運(yùn)行。在該系統(tǒng)中設(shè)置單片機(jī)每100 μs 發(fā)生中斷檢測一次，即每秒共檢測一萬次。

在程序主函數(shù)中進(jìn)行各項(xiàng)初始化后進(jìn)入循環(huán)，循環(huán)中包括電流、電壓采集程序、微機(jī)保護(hù)診斷程序、按鍵檢測程序、液晶顯示程序。同時(shí)另設(shè)中斷程序檢測無刷直流電機(jī)的霍爾信號，系統(tǒng)程序框圖如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)程序框圖

5 實(shí)機(jī)調(diào)速測試

無刷直流電機(jī)實(shí)機(jī)測試如圖11 所示。

圖11 實(shí)機(jī)測試

然后，使用便攜式雙通道示波器對調(diào)速系統(tǒng)相關(guān)信號進(jìn)行測量，圖12 為無刷直流電機(jī)單個(gè)定子繞組端電壓和轉(zhuǎn)子所對應(yīng)的霍爾信號波形，可以看出STC12C5A60S2 在檢測到霍爾信號后對驅(qū)動(dòng)電路所做控制的精確性。

圖12 定子繞組端電壓與霍爾信號波形

調(diào)節(jié)無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，分別測量低速、中速和高速下單片機(jī)PWM 輸出引腳的波形，如圖13 所示。轉(zhuǎn)速越高，PWM 波形的占空比也就越高。由此可見該調(diào)速系統(tǒng)的有效性。

圖13 不同轉(zhuǎn)速下的PWM調(diào)制波形

圖14 為同一橋臂上、下兩個(gè)開關(guān)管G 極的驅(qū)動(dòng)電壓波形，可以看出，不會(huì)出現(xiàn)單橋臂上、下管同時(shí)導(dǎo)通的情況，證明了采用該單片機(jī)進(jìn)行PWM 調(diào)制的可靠性。

圖14 同一橋臂上、下開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電壓波形

6 實(shí)機(jī)保護(hù)測試

首先，測試該無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的過載保護(hù)，電機(jī)過載運(yùn)行時(shí)，定子電流急劇增大。保護(hù)閾值設(shè)置為1.5 A。待電機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)后，使其過載運(yùn)行，觀察到電機(jī)轉(zhuǎn)速急劇下降，液晶顯示上主回路的電流值增至1.59 A，保護(hù)啟動(dòng)，全橋輸出關(guān)閉，電機(jī)停止運(yùn)行，過載保護(hù)如圖15 所示。

圖15 過載保護(hù)

然后，測試電機(jī)的欠壓保護(hù)。一方面電機(jī)在低壓狀態(tài)下運(yùn)行定子電流會(huì)增大，導(dǎo)致線圈升溫。另一方面無刷直流電機(jī)在電動(dòng)車領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，電池在低電壓狀態(tài)下過度放電會(huì)嚴(yán)重縮減壽命，所以欠壓保護(hù)是很有意義的。該無刷直流電機(jī)額定電壓為24 V，設(shè)定欠壓保護(hù)的閾值為21 V。慢慢調(diào)節(jié)可調(diào)直流電源的輸出直至其低于21 V，觀察到保護(hù)啟動(dòng)，電機(jī)停止運(yùn)行，欠壓保護(hù)如圖16 所示。

圖16 欠壓保護(hù)

最后，測試電機(jī)的堵轉(zhuǎn)保護(hù)，當(dāng)電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)后，定子電流也會(huì)急劇增大，一般情況下過載保護(hù)可以起到同樣的保護(hù)效果。但如果電機(jī)工作在低轉(zhuǎn)速狀態(tài)，此時(shí)發(fā)生堵轉(zhuǎn)，定子電流也未必會(huì)超過過載保護(hù)的閾值，導(dǎo)致無法觸發(fā)保護(hù)，因此另外設(shè)置堵轉(zhuǎn)保護(hù)。讓無刷直流電機(jī)工作在最低速，令其堵轉(zhuǎn)，觀察到液晶顯示上的電流增大至0.44 A，經(jīng)過一定的延時(shí)檢測后保護(hù)啟動(dòng)，電機(jī)停止運(yùn)行，堵轉(zhuǎn)保護(hù)如圖17所示。

圖17 堵轉(zhuǎn)保護(hù)

7 結(jié)束語

文中通過采用STC12C5A60S2 作為主控芯片，設(shè)計(jì)了一套無刷直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)，采用PWM 調(diào)制，并為其設(shè)計(jì)了微機(jī)保護(hù)的功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上，可以通過改變PWM波的占空比實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的調(diào)速。應(yīng)對不同的故障情況，可以快速地檢測出過載保護(hù)、欠壓保護(hù)和堵轉(zhuǎn)保護(hù)并作出響應(yīng)，證明了該調(diào)速系統(tǒng)的有效性和可靠性。