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基于MC9S12X128無刷直流電機控制系統(tǒng)設計

作者: 時間:2012-02-27 來源:網絡 收藏

摘要 為滿足對無刷控制要求精度高、調速性能好、系統(tǒng)實現成本低的需要,了一種無刷。該系統(tǒng)以單片機為控制核心,采用IR2130芯片驅動MOSFET功率管,實現對無刷三相六拍PWM控制。系統(tǒng)硬件電路結構簡單、調速方便、功耗低。實際運行測試表明,電機可以長期穩(wěn)定運行。
關鍵詞 單片機;無刷電機;驅動電路;位置檢測;電流檢測

直流無刷電機是一種高性能電機,它具有效率高、可靠性好、結構簡單、便于維護和體積小等優(yōu)點。與直流電機相比,無刷電機沒有電刷和換相器,而采用電子電路進行換相,換相時不會產生電火花,不存在機械換向損耗。與異步電機相比,無刷電機的轉子與定子磁場同步旋轉,因此不存在轉子損耗。與同步電機相比,無刷電機控制方法簡單,便于工程應用的特性,使其被廣泛應用于眾多領域。
直流無刷電機的控制方案有多種,如文獻采用DSP作為主控制器的,文獻采用FPAG控制無刷電機,文獻選用MEGA8單片機控制方案。這些控制方法都能夠實現電機的正反轉、啟停等控制,但在系統(tǒng)實現成本、控制精度、運行穩(wěn)定性和外圍電路的能源消耗等方面上卻有較大的差別。使用DSP和FPAG的控制方案,系統(tǒng)的控制精度高、穩(wěn)定性好,可以應用于工業(yè)生產中,不足之處在于成本過高,無法大量用于日常生活中。而采用MEAG8控制方案雖然成本低,與DSP、FPAG相比,系統(tǒng)的性能相差很大,無法滿足工業(yè)生產的要求。
針對上述問題,提出單片機為核心的直流無刷電機。該控制系統(tǒng)實現成本低,而電機的控制性能上與DSP和FPGA等高端控制方案上相差不大,可以在工業(yè)生產中廣泛應用。文中所選擇的主控芯片有豐富A/D轉換和PWM通道,適合電機的控制。為減少能源消耗和降低電路的復雜性、電路成本,提高控制系統(tǒng)的可靠性,同時也為了便于系統(tǒng)維護和功能擴展,系統(tǒng)硬件電路采用模塊化的原則,每個模塊電路盡可能使用集成芯片。

1 直流無刷電機控制原理
直流無刷電機的運行原理與有刷直流電機基本相同,只是電機的換相方式有區(qū)別,無刷電機采用電子換相,利用轉子位置傳感器檢測轉子位置,通過換相驅動電路控制與電樞繞組連接的各功率MOSFET管的導通和關斷,實現電機換相的目的。電樞繞組Y連接三相全控橋驅動電路如圖1所示。

本文引用地址:http://m.ptau.cn/article/177846.htm

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三相全控橋電路的換相周期為60°電角度,每個換相周期中只有兩個功率MOSFET管導通,每次換相一個功率管,每個功率管導通120°電角度。圖中Q1~Q6為功率場效應管,當需要AB相導通時,只需要打開Q1,Q6管,而使其他管截止。此時電路中的電流路徑為:電源正極-Q1-線圈A-線圈B-Q6-電源負極。按照這種導通方式就會有6種相位模式:AC,BC,BA,CA,CB,AB,對應的MOSFET管打開順序為Q1Q2,Q2Q3,Q3 Q4,Q4Q5,Q5Q6,Q6Q1,如果規(guī)定這個導通順序為電機正向旋轉一周,則反向旋轉只要逆著控制上述MOSFET管導通順序即可實現。

2 控制系統(tǒng)主要硬件電路設計
2.1 系統(tǒng)硬件結構
直流無刷電機控制系統(tǒng)結構框圖如圖2所示??刂葡到y(tǒng)以MC9S12x128單片機為核心控制芯片,負責處理采集傳回的電流和轉子位置信號,電機控制算法的實現,生成直流無刷電機旋轉所需的控制脈沖及與外界交互操作等功能。通過按鍵設定需要的轉速之后,主控芯片根據給定的轉速生成相應頻率的PWM信號,控制驅動電路的功率管開關時間,使電機的轉速達到預期值。無刷直流電機的換相時刻由轉子的位置決定,因此系統(tǒng)中加入了位置檢測電路用于檢測轉子的位置,位置傳感器采用的是位置霍爾傳感器。為了保證電機在動態(tài)過程中出現電樞電流過流或欠流時系統(tǒng)的性能不會受到過大的影響,加入了電流檢測電路,通過這個電路將流過電機的電流進行采樣,一旦出現異常情況,主控制器馬上采取相應的措施保護這個控制系統(tǒng),避免意外事故的發(fā)生。隔離電路是防止感性負載的存在而產生大量的干擾信號,將干擾產生的影響降到最低,使系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定的運行。監(jiān)控電路的作用是使系統(tǒng)一直工作在有效電壓之內,提高系統(tǒng)的可靠性。RS232接口和按鍵接口電路用于電機轉速調節(jié)和控制,滿足對轉速的各種要求。

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2.2 主控器
主控制器選擇的好壞直接影響整個直流無刷電機控制系統(tǒng)的性能,在充分考慮了實現成本和功能需要后,采用飛思卡爾的作為主控制芯片。該芯片具有豐富的A/D轉換通道和PWM通道,適合用于電機控制。在實際使用時只要配置好相應模塊的寄存器,就可以使用模塊功能,不需要復雜的程序編寫,這樣就可以將主要精力放在硬件電路性能的提高上。對于系統(tǒng)運行過程中出現的問題,可以方便地進行調試和維護。

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