无位置传感器无刷直流电机数控调速器设计

刘东辉，赵新伟，李天宝，赵尔男

(1.河北科技大学电气工程学院，河北石家庄 050018；2.中国环境管理干部学院信息工程系，河北秦皇岛 066004)

无位置传感器无刷直流电机数控调速器设计

刘东辉1，赵新伟1，李天宝1，赵尔男2

(1.河北科技大学电气工程学院，河北石家庄 050018；2.中国环境管理干部学院信息工程系，河北秦皇岛 066004)

本文在分析无位置传感器无刷直流电机反电动势检测方法的基础上，设计了硬件检测电路和基于单片机的无刷直流电机数控调速器，并介绍此数控调速器的检测及控制单元，并详细介绍了此控制方案的反电动势检测方法的实现以及单片机生成PWM信号控制驱动桥路的设计，设计中还添加了配套的上位机软件。经验证，调速器能够完成电机调速、电源电压欠压保护、过流保护、速度显示以及上位机控制等一系列功能。

反电动势检测； 无刷直流电机；数控调速；单片机； PWM

无刷直流电机是随着半导体电子技术发展而出现的新型机电一体化电机，无刷电机以电子换相器取代了有刷直流电机的机械换相[1]，既保留了有刷直流电机的基本特性，又摒弃了机械换相器和电刷带来的弊端。无刷直流电机以更高的效率、更小的尺寸、更快速的响应和可以软启动的优点，为诸多行业提供了一种更具吸引力的选择，逐步被人们接受[2-3]。在实际应用中发现含传感器无刷直流电机在电机安放转子位置传感器时有诸多的问题，而无位置传感器控制方案是利用电枢绕组在旋转磁场中产生感应反电动势，间接获得转子的磁极位置[4]。此方案无需位置传感器，简化电机结构，因此得到了广泛的应用[5]。

本文旨在设计一种无位置传感器无刷直流电机数控调速器，以实现对无刷电机转速的精确控制，降低无刷直流电机的转矩波动，拓宽电机转速范围，增加如低压保护、过温保护等辅助功能，提升无刷直流电机的使用品质，扩大无刷直流电机的应用空间。

1 系统总体设计

本文设计的无位置传感器无刷直流电机数控调速器，通过微处理器控制电机转速，并显示电机的转速值。技术关键点包括反电动势过零点检测、电机启动算法。设计采用反电动势过零检测法获取无刷直流电机的转子位置，设计合理的采样电路，准确判断电机转子位置。电机启动算法需要零转速的情况下，首先确定转子位置，继而顺序通电，使电机获得启动力矩，同时检测电源电流，若电源电流超出额定限制，则关断功率元件，重新启动。同时设计添加电源电压欠压保护，转速显示等功能。

根据设计的需求将调速装置划分为检测驱动单元和速度控制单元。

图1 系统整体结构框图Fig.1 Overall system structure diagram

检测驱动单元由核心控制器、检测网络和驱动桥路组成[6]。其中核心控制器使用ATMega8单片机接收速度控制器发出的串行通信调速信号和脉冲宽度调制调速信号。驱动桥路由MOSFET及其外围电阻和三级管搭建，设置指示灯显示各个MOSFET的通断状态。

速度控制单元包括以STC12C16AD单片机作为处理器的速度控制器、Windows系统上的上位机界面控制软件。速度控制器通过键盘设置不同的速度信号，利用串行通信发送调速信号至检测驱动单元，经由1602LCD显示当前电机速度。上位机的功能与速度控制器相同，为电机功能扩展和远程控制提供方便。系统整体结构框图如图1所示。

2 检测驱动单元设计

2.1硬件设计

系统硬件设计主要由核心控制器和驱动桥路两部分组成，包括ATMega8最小系统、过零检测电路、驱动桥路电路、电源电压电流检测电路和电源模块电路。

设计采用ATMega8主要基于以下3个方面[7]：

1)具有先进的RISC 结构，全静态工作，足够高的数据吞吐率；

2)2个独立预分频的8位定时器/计数器，三通道硬件PWM，用来产生程序中的三通道PWM控制信号[8]；

3)片内模拟比较器，可用于采集无刷直流电机反电动势过零点的信号[9]，省去外围电路中的模拟比较器部分，这是选用该单片机作为控制器的最主要原因。

2.2过零检测电路

反电势过零检测法基本原理就是在忽略永磁无刷直流电机电枢反应影响的条件下，通过检测“断开相”(逆变桥上下功率器件皆处于关断状态的一相)的反电动势过零点，来依次获得转子的6个关键位置信号，轮流触发导通逆变桥的6个功率管，驱动电机运转[10]。在逆变桥供电的任一时刻，电机总有一相其上下桥臂均为断开状态，即该相绕组是悬空的，因此该相绕组的相电压等于其产生的感生电动势。在忽略电枢反应对气隙磁场影响的条件下，近似认为这一感生电动势即是该相绕组所产生的反电动势。反电动势过零点可以通过相电压或者端电压检测得到。检测到反电动势的过零点时刻，并加入适当延迟，得到逆变桥功率器件的正确触发时刻[11]。

图2 反电动势检测原理图Fig.2 Counter electromotive force detection principle diagram

ATMega8单片机的片内比较器的输出可用来触发定时器/计数器1的输入捕捉功能；此外，比较器还可触发自己专有的、独立的中断；用户可以选择比较器是以上升沿、下降沿还是交替变化的边沿来触发中断[12]。

反电动势检测原理图如图2所示。

motor_u，motor_v，motor_w分别连接无刷直流电机的U，V，W三相绕组，MITTEL为估测的变形后的中点电压，与ATMega8单片机的模拟比较器正输入端AIN0相接。使用单片机A/D转换器的A/D0，A/D1，A/D2作为模拟比较器复用输入端，REV_U，REV_V，REV_W分别与单片机的A/D0，A/D1，A/D2连接。只要在U，V相通电期间开通REV_W和MITTEL的比较，U，W相通电期间开通REV_V和MITTLE的比较，V，W相通电期间开通REV_W和MITTLE比较，就可以成功检测出各相的过零事件。驱动桥路电路图如图3所示。

图3 驱动桥路电路图Fig.3 Drive axle road circuit diagram

驱动芯片选用Si4404和Si4405。Si4404是N-Channel MOSFET，额定电压30 V，栅源电压为0.45 V时，额定漏极电流达17 A。芯片内部场效应管旁反向并联一个二极管，设计时省略外围电路反向二极管的连接。

2.3检测驱动单元软件设计

检测驱动单元的软件部分包括主程序、反电动势检测、启动程序、电源电压及过流检测程序、串口控制信号程序、PWM调速信号程序。

ATMega8主程序流程图如图4所示。

电源电压、过流检测是使用ATMega8单片机自带的ADC功能实现的。单片机使用两路ADC端口分别检测TEST_BAT和REV_I端口，通过对采样后的数据进行处理换算成对应的电压、电流值，然后与设定值进行比较，依次检测欠压、过流现象，做出相应处理，保护电机和电路。ATMega8电压及过流检测流程图如图5所示。

图4 ATMega8主程序流程图Fig.4 ATMega8 main program flow chart

图5 ATMega8电压过流检测流程图Fig.5 ATMega8 voltage overcurrent test flow chart

过零检测动作状态对应表如表1所示。过零检测动作流程图如图6所示。假设电机已处于正常旋转状态，每次检测到悬浮相的过零事件后，则会触发进入此程序。假设目前电机正处于U，V相通电状态，转到1/2时W相的感生电动势会过零，此时motor_w端的电压会低于MITTEL中点电压，模拟比较器的输出端产生一个上跳沿而触发中断，进入中断服务程序[13]。

图6 过零检测动作流程图Fig.6 Zero test flow chart

表1 过零检测动作状态对应表

3 电机速度控制单元

速度控制单元部分的设计中，采用数字通信调速信号取代原先的PWM脉宽调制调速信号，在发挥了数字信号准确、自校验的优势下，保证信号传输准确率。同时为实现远程控制，设计中增加上位机控制功能，这也为集中控制奠定基础。

图7 STC单片机主函数程序流程图Fig.7 STC MCU procedure flow charts of main function

图8 实验系统Fig.8 Experiment system

速度控制器STC12C5A16AD单片机作为处理器，通过按键设置调速信号，通过串行通信接口发送给ATMega8单片机，并接收ATMega8单片机发出的电机实时速度信号，由1602液晶显示。采用串口电平转换芯片MAX232将PC机RS-232电平的串口信号和单片机TTL电平的串口信号互相转换，实现PC机与单片机之间的互相连接与通信。STC12C5A16AD单片机需要完成2项工作:其一，检测A/D键盘是否有按键按下，如检测到有按键被按下，则在原先设置转速值的基础上执行按键对应操作，并在1602液晶上显示出改变后的速度值，然后将该速度值发送到ATMega8单片机；其二，接收ATMega8单片机发送的电机速度信号，并在1602液晶上显示。

STC单片机主函数程序流程图如图7所示，实验系统如图8所示。

在主函数中完成程序初始化、A/D键盘扫描、数据转化处理、把数据写入液晶显示。如果有按键按下，执行对应按键的数据处理动作，并将处理获得速度值发送到ATMega8单片机。程序选择循环扫描方式读取A/D键盘，而非使能A/D中断方式，这样能够保证串口通信不受干扰，而且循环扫描方式速度不会错误判断按键输入信号[14]。检测到有按键按下后，增加延时判断，软件消抖处理，避免按键抖动带来的错误信号。

为增强无刷直流电机调速的人机交互操作能力[15]，也便于多电机的集中控制，使电机的控制更加简单明确，设计中添加上位机调速软件，经验证，能够很好完成电机的速度控制。

4 结 语

本文设计完成了一个无刷直流电机数控调速器，实验系统由驱动电路板、控制电路板、无刷直流电机、上位机构成。经验证，系统能够完成一系列预定功能。

设计方案采用反电动势检测方法取代位置传感器，简化电路结构，降低成本。该数控调速器最终实现的功能包括：无刷电机调速功能、电源电压欠压保护功能、过流保护功能、速度显示功能以及上位机控制功能。

本设计仍有可提高空间，调速性能方面可以加入超前角控制，优化电机换相时电流波形，改善噪声、转矩波动，提高整体的驱动性能。控制功能丰富性方面由于引入了数字通信模式，可以加入不同的控制命令，如设置最大允许电流，读取电流，根据电机性能设置电机工作模式，验证功率元件驱动性能等。

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Design of digital controller for sensorless brushless DC motor speed regulation

LIU Donghui1, ZHAO Xinwei1， LI Tianbao1, ZHAO Ernan2

(1.School of Electrical Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang Hebei 050018, China; 2.Department of Information Engineering, Environmental Management College of China, Qinhuangdao Hebei 066004, China)

Based on the analysis of brushless DC motor back-EMF detection method, the hardware detection circuit and the microcontroller-based digital speed controller of brushless DC motor are designed. The detection and control units of the digital speed controller are introduced respectively, and details of EMF detection methods and the realization of single-chip generating PWM signals to control the driving bridges in this control scheme are introduced. The design also adds the supporting PC software.. The result proves that the controller can realize the motor speed regulation, power supply voltage undervoltage protection, overcurrent protection, speed display, PC control and so on.

back-EMF detection； brushless DC motor； CNC control； MCU； PWM

1008-1542(2013)04-0302-06

10.7535/hbkd.2013yx04009

TM36+1

A

2013-03-18；

2013-05-28；责任编辑：李 穆

国家自然科学基金(51274144)

刘东辉(1971-)，男，山西晋城人，教授，博士，主要从事电机电器的智能控制、医学信号处理、视频监控方面的研究。

E-mail: liu__donghui@126.com