一种基于8751单片机的直流无刷电动机控制系统

华满香

HUA Man-xiang

（湖南铁道职业技术学院，株洲 412001）

0 引言

一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活中。其主要类型有同步电动机、异步电动机和直流电动机三种。直流电机具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能，因为直流电机要产生额定负载下恒定转矩的性能，则电枢磁场与转子磁场须恒维持90°，这就要藉由碳刷及整流子。传统的直流电动机均采用电刷以机械方法进行换向，因而存在相对的机械摩擦，由此带来了噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等弱点，再加上制造成本高及维修困难等缺点，从而大大限制了它的应用范围，使用场合也受到限制。针对传统直流电动机的弊病，早在上世纪30年代就有人开始研制以电子换向代替电刷机械换向的直流无刷电动机。经过了几十年的努力，直至上世纪70年代，随着电力电子工业的飞速发展，许多高性能半导体 功 率 器 件， 如 GTR、MOSFET、IGBT、IPM等相继出现，以及高性能永磁材料的问世，无刷直流电机也相继产生了，近几年无刷直流电机在数码照相机、摄影机、打印机、手机以及汽车空调、洗衣机、电动车等等领域获得广泛的应用。

1 直流无刷电动机

1.1 直流无刷电动机结构

直流无刷电动机的结构原理如图1所示。它主要由电动机本体、位置传感器和电子开关电路三部分组成。电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没有笼型绕组和其他起动装置。其定子绕组一般制成多相(例如三相、四相、五相等)，转子由永久磁铁按一定极对数(P＝2，4，…)组成。如图1中的同步电动机是三相两极永磁式。在图中A相、B相、C相绕组分别与功率开关管V1、V2、v3相接，位置传感器与电动机轴相连接。直流无刷电动机和一般直流电动机结构上不同之处在于：直流无刷电动机的永久磁铁磁极是装在转子上，而直流电动机(永磁式)的永久磁铁磁极是装在定子上。

图1 直流无刷电动机的结构

1.2 直流无刷电动机工作原理

图1中，在电子开关作用下，定子绕组的某一相通电，该电流与转子永久磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子位置变换成电信号去控制电子开关，从而使定子各相绕组组按—定顺序导通，定子相电流随转子位置变化也依次换相。由于电子开关的导通次序与转子转角同步，故起到机械换相器的作用。因此，从结构上看，直流无刷电动机可认为是一台永磁式同步电动机、电子开关电路和位置传感器三者组成的“电动式系统”，其原理框图如图2所示。

图2 直流无刷电动机的原理框图

2 直流无刷电动机的单片机控制

图3采用8751单片机来控制直流无刷电动机的原理框图。8751单片机有四个独立控制口，现将其中的P1口置成输出口，同7406反向门电路连接控制直流无刷电动机的换相；P2口置成输人口，用于测量来自转子永久磁铁位置传感器的信号H1、H2、H3；Po口作为输出口，外接一个D／A转换器。如图3所示，单片机8751控制无刷直流电动机原理图。

图3 单片机8751控制无刷直流电动机原理图

2.1 直流无刷电动机换相的控制

根据定子绕组的换相方式(如采用三二换相或是两两换相等)，首先找出三个转子永久磁铁位置传感器信号H1、H2、H3的状态与六只功率管导通之间的关系，以表格形式存放在单片机的EPROM中。表1示出了三相直流无刷电动机采用两两换相方式时位置传感器输出状态同主回路功率管导通之间的对应表。这样一来，8751单片机只需根据来自P2口的H1、H2、H3的状态，从表1中查得相对应的导通管，并通过在P1口送出相应的控制字，就可控制直流无刷电动机的换相。

2.2 直流无刷电动机起动电流的限制

从图3可知，主回路中通过电动机的电流最终经过电阻R13接地。因此，Uf＝R13IM，其大小正比于电动机的电流IM。而Uf同D／A转换器的输出电压U。分别送到LM324运算放大器的两个输入端，一旦反馈电压Uf大于来自D／A转换器的给定信号U。，则LM324运算放大器输出为低电子，使得主回路中三只功率管V4、V6和V2无法导通，从而截断了直流无刷电动机定子绕组的所有电流通路，迫使电动机电流下降，一旦电流下降到使Uf小于Uo，则LM324运算放大器的输出回到高电平。主回路的V4、V6和V2又具备导通的能力，其具体通电的次序由P1口控制，于是起到了限制电流的作用。

表1 换相表（正转）

2.3 直流无刷电动机转速的控制

上面所述的限流的大小为IM＝U0/ I13，因此，在直流无刷电动机正常运行的过程中，只要控制D / A转换器的输出电压U0，就可控制直流无刷电动机的电流，进而控制电动机的转速。也就是说，8751单片机可通过来自转子位置传感器的信号周期，计算出电动机的转速，并把它同给定转速比较。如高于给定转速，则减少P2口的输出数值，降低电动机的电流，以达到降低其转速的目的，反之，如果测得的转速低于给定转速，则增加P2口的输出数值， 进而加大电动机的电流，从而提高其转速。至于采用何种控制方式，可通过软件来实现。

2.4 PWM控制的实现

上述的转速控制也可通过PWM方法来实现。如将图3中的7406反相器中的一部分用一个74LS33或非门来代替，并省去了由P2口控制的A/ D转换器，如图4所示。由图4可知，74LS33或非门的一个输入端由P2口中的一位P21控制，当P2口中的P21输出为高电平时，则主电路中的V2、V4和V6被封死。当P21输出为低电平时，则主回路中的六只功率管仍然受P1口控制进行电动机的正常换相，因此，只需对P21的输出进行PWM控制，就可以控制直流无刷电动机的转速。由此可以看出，直流无刷电动机的控制电路中引入了单片机后，就可以很方便地进行换相控制和转速调节。

图4 实现PWM控制的原理图

2.5 正反转的控制

在一般直流电动机运行过程中，改变磁场方向或改变电枢电压的极性，均可改变电动机转向。但这些方法在直流无刷电动机中行不通，因为直流无刷电动机的磁通由永久磁铁产生，无法改变方向，又由于半导体的单向导电性，电源电压反接很不方便。因此在这种情况下，一般都通过控制定子绕组的换相次序来改变电动机转动方向。具体做法是只需要根据换相控制表如表2所示进行控制。这样，单片机采用表1来控制换相，电动机正转，而按表2来控制换相，则电动机就反转，非常方便。

表2 换相表（反转）

3 结束语

由于直流无刷电动机既具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等特点，又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多优点，而本控制系统精度高，稳定性好，硬件简单且工作可靠，利用单片机控制直流无刷电动机的换相、正反转、调速及限制起动电流又非常方便，因此该系统应用非常广泛。

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