永磁无刷直流电机数字调速器的设计与实现

荣 军, 李一鸣, 万军华, 万 力, 王 峰

(1. 湖南理工学院 信息与通信工程学院, 湖南 岳阳 414006; 2. 湖南理工学院 计算机学院, 湖南 岳阳 414006; 3. 工程车辆轻量化与可靠性技术湖南省高校重点实验室, 长沙 410014 )

永磁无刷直流电机数字调速器的设计与实现

荣 军1,3, 李一鸣2,3, 万军华1,3, 万 力1,3, 王 峰1,3

(1. 湖南理工学院 信息与通信工程学院, 湖南 岳阳 414006; 2. 湖南理工学院 计算机学院, 湖南 岳阳 414006; 3. 工程车辆轻量化与可靠性技术湖南省高校重点实验室, 长沙 410014 )

设计了一个以C8051F330单片机为控制核心的永磁无刷直流电机(无刷马达)电子调速器, 实现了将PPM信号转化为PWM信号来实时调控电机转速的电子调速系统. 系统硬件采用模块化设计, 主要包括单片机控制模块、电源供电模块、电机驱动模块以及零点检测模块等部分. 在完成整个系统的软硬件设计后, 制作出实物并进行了测试, 实验结果表明数字控制电子调速系统具有设计简单, 调速稳定以及性价比高的特点.

永磁无刷直流电机; 数字控制; 电子调速器; 脉冲宽调制

永磁无刷直流电机也称永磁马达, 由于其具有调速性能好、运行效率高以及维护方便等优点, 在汽车行业比如汽车风扇、汽车车身控制以及电动汽车等领域有广泛应用[1,2]. 永磁无刷直流电机的控制方式有三种: 1)专用模拟控制芯片; 2)单片机; 3)数字信号处理器. 利用专用模拟控制芯片的电机控制系统设计过程简单, 缺点是使用功能受到限制, 不能扩展. 数字信号处理器设计的电机控制系统优点是外围电路设计简单、运算速度快, 缺点是控制算法复杂, 生产成本高. 而基于单片机的电机控制系统设计容易, 扩展性好, 性价比高, 因此在永磁无刷直流电机控制领域有很高的应用价值[3～5]. 鉴于此, 本文设计基于单片机C8051F330的简易数字电机控制系统, 完成了其硬件电路和软件程序的设计, 并给出了实验测试结果. 实验结果表明该电机控制系统具有调速性能稳定, 设计方便以及生产成本低廉的特点.

1 系统实现及硬件电路设计

1.1 系统组成结构框图

数字控制无刷直流电机调速系统总体框架如图1所示. 整个设计主要包括电机电子调速控制电路, 电机驱动电路, 零点检测电路以及电源供电电路等电路设计.

图1 系统总体框图

1.2 基于C8051F330控制电路的设计

基于单片机C8051F330电机控制电路原理图如图2所示. 图中的C8051F330芯片每个引脚都有特定的第二引脚功能, 根据第二功能的特性, 能够规划每个引脚的管理.1.3 电源电路设计

图2 C8051F330控制电路原理图

外部电源支持2～4节锂电池(6V～14.8V)输入,它主要是用来提供电机的驱动电压,控制器的供电电压(+3.3V)以及BEC接口处的+5V电压. 因为稳压的幅度差比较大, 所以稳压的降压特性需要很好, 故选取的芯片在这方面都具有特殊的性能. 根据以上要求, 本文分别采用了LM2576-5.0、LY6206-3.3和 SX1308来设计开关稳压电源、线性稳压电源以及驱动MOS管所需的升压电源[6].

(1) 开关电源电路设计

由于该系统对电源功率和供电电流有特殊要求, 所以本设计特意选择了一款稳5V的开关型降压芯片LM2576-5.0, 其设计电路如图3所示. LM2576系列IC是美国德州仪器公司生产的3A电流输出的降压开关型集成稳压芯片, 它内部具有基准稳压器(1.23V)和固定频率振荡器(52kHz), 并且具有完善的保护电路,包含热关断及电流限制电路等. 使用该器件时只需要极少的外围器件, 即可构成高效的稳压电路.

图3 开关电源电路设计原理图

(2) 线性电源电路设计

因为主控制器C8051F330单片机的正常运行电压范围是2.7～3.6V, 所以需要单独为该控制器提供一个稳定的3.3V电源. 为此本文选择了LY6206-3.3V的线性稳压IC, 得到一个3.3V的稳压源. 基于LY6206的线性电源电路原理图如图4所示.

图4 线性电源电路设计原理图

(3) 升压电路设计

因为该电子调速器设计是由MOS场效应管做驱动电路的, 而设计中所选用的该款MOS管AON6512所需的驱动电压不能低于10V, 所以本文中特意选择了升压芯片SX1308, 用来做MOS管的驱动源, 该款IC的升压电路图如图5所示.

1.4 电机驱动电路设计

由于电机运转的时候内阻非常小, 所以会产生很大的电流. 为了提高调速器的驱动能力, 本文利用6个N型MOS功率场效应管AON6512驱动一项, 即每三个MOS管并联起来作为一个半桥, 因此三项共需要18个MOS管, 其部分电机驱动电路原理图如图6所示.

1.5 过零点检测电路设计

过零点检测即反电动势的检测. 反电动势检测需要不停的检测比较U相、V相以及W相端与中点的电压, 以获取某一个相的感应电动势的过零点事件所发生的时间. 一般的无刷电机都是利用三个比较器不停的比较检测过零事件. 本文的设计并不需要使用三个比较器, 原因在于三个相位每次的过零事件的时间是不相同的, 完全可以利用一个比较器不停地切换到下次要发生过零事件的相位上. 本设计中就是利用C8051F330自带的比较器, 通过相位的不停切换来实现过零事件的检测. 检测电路如图7所示.

图5 升压电路设计原理图

图6 电机驱动电路原理图

2 软件程序设计

软件设计采用模块化设计主要包括初始化程序、主程序和中断服务子程序. 中断程序由ADC 中断、捕获单元中断、定时器溢出中断、串行口中断、功率保护中断及速度调节子程序组成, 程序流程图如图8所示[7,8].

图7 过零检测电路原理图

图8 程序主流程图

3 实验结果及分析

在完成硬件电路设计以及软件程序后, 制作出实物并给出了实验结果如图9～11所示. 其中图9为示波器接收到的PPM输出信号, 包括一个低电平信号和一个高电平信号, 由低电平信号和高电平信号构成一个一个运算周期, 从图中可以看出高电平信号远远大于低电平信号. 图9中形成的PPM信号被送入单片机C8051F330进行分析和运算. 图10为PWM输出控制信号, 它是由单片机C8051F330将PPM信号进行分析解码, 然后编程输出的PWM信号, 控制系统通过调节PWM控制信号可以实现电机运转以及调速. 图11为过零点检测的电压测试波形, 从图11中可以明显看出过零点检测电路能测试出其反电动势为零的准确时间点, 从而为电机的精确换相创造条件.

图9 PPM输出信号波形

图10 PWM输出信号波形

图11 过零点电压检测波形

4 结论

本文基于单片机C8051F330设计了一个永磁无刷直流电机数字控制电子调速器. 整个系统包括电源管理, 信号解析, 电机调速, 保护设置, 编程模式等几大部分. 电源管理部分因为各个部分对电源的需求不同, 分别采用了线性稳压电源和开关稳压电源, 用来提高电源的效率; 信号解析是对输入的PPM信号进行分析解码, 将分析结果用来做无刷直流电机电子调速器的控制信号; 电机调速主要是利用控制器C8051F330产生不同占空比的PWM信号, 并用该PWM信号来控制半桥驱动芯片IR2103S, 使其起到开关作用, 再通过该快关信号来控制N沟道MOS场效应管AON6512的导通与截止, 从而达到对无刷电机进行调速的效果. 保护设置主要是对系统在瞬间大提速时产生大电流、高速运转时外界操作不当以及控制信号丢失时防止系统被烧坏和人员遭到伤害, 系统自动检测并做出相应的处理和报警; 编程模式主要是用来使系统能够自动识别不同的无刷电机, 并自动设置相关的参数, 以便能达到更好的效益.

[1] 荣 军, 杨 航, 李 献, 等. 无刷直流电机在Matlab中的建模与仿真研究[J]. 湖南理工学院学报(自然科学版), 2012, 25(2): 55～59

[2] 晁盛远, 王 凯, 刘富勇. 直流无刷电机系统的建模与仿真[J]. 计算技术与自动化, 2008, 27(2): 39～43

[3] 雷金莉, 窦满峰, 张振华. 永磁无刷直流电机数字控制系统设计与DSP实现[J]. 制造业自动化, 2013, 35(1): 18～20, 36

[4] 张鹏超. 基于数字信号处理器的无刷直流电机控制系统设计[J]. 电机与控制应用, 2011, 38(4): 18～20, 33

[5] 董期林, 张淑梅. 基于DSP的直流电机数字控制系统[J]. 微电机, 2006, 29(5): 62～64

[6] 荣 军, 杨学海, 陈 超, 等.基于单片机的简易恒流源系统的设计[J]. 电子器件, 2013, 36(2): 225～229

[7] 随顺科, 孙长江, 王 雁. 基于DSP的智能无刷直流电机控制策略研究[J]. 制造业自动化, 2011, 33(8): 56～58

[8] 王建校. 51系列单片机及C51程序设计[M]. 北京: 科学出版社, 2002

Design and Implementation of Digital Speed Regulator for Permanent Magnet Brushless DC Motor

RONG Jun1,3, LI Yi-ming2,3, WAN Jun-hua1,3, WAN Li1,3, WANG Feng1,3
(1.College of Information and Communication Engineering, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, China; 2. College of Computer Science, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, China; 3. Key Laboratory of Lightweight and Reliability Technology for Engineering Vehicle, College of Hunan Province, Changsha 410014, China)

The electronic speed regulator based on SCM of C8051F330 is designed for permanent magnet brushless DC motor (brushless motor), and can realize the electronic speed control system that the PWM signal being translated form the input signal of PPM real-time controls the motor speed. The hardware of the system adopts the modular design, which mainly includes the SCM control module, the power supply module, the motor driver module and the zero detection module. After the design of the hardware and software of the whole system, the material is made and tested, and the experimental results showed that the digital controlling system of the electronic speed system has the characteristics of simple design, stable speed regulation and high performance ratio.

permanent magnet brushless DC motor(BLDCM); digital control; electronic speed regulator; pulse width modulation

TM361

: A

: 1672-5298(2015)04-0037-04

2015-08-29

工程车辆轻量化与可靠性技术湖南省高校重点实验室基金 (2014kfjj01); 湖南省教育厅一般项目(15C0620, 15C0622)

荣 军(1978− ), 男, 湖南岳阳人, 硕士, 湖南理工学院信息与通信工程学院讲师. 主要研究方向: 开关电源及电机控制技术