无刷直流电机控制器的研制

宋宏彪 尹慧 黄山芳 彭航 许辉

摘要：无刷直流电机去掉了产生很大损耗的机械换相，即电刷和换向器，维修简单，使用寿命长。本文研制了一款无刷直流电机控制器，设计了控制器电源电路，霍尔信号捕获电路，MOS管驱动电路，电流采样电路，反电势端电压检测电路，采用基于反电势的换相方式，编写了无刷直流电机的控制程序，进行了试验验证。试验结果表明，无刷直流电机运行平稳，试验结果与预期相符，对工程实践具有参考价值。

关键词：无刷直流电动机;电子换向;电机控制

1 引言

无刷直流电机实现了不依赖于机械换向结构也能换相的功能，同时具有调速控制良好的直流电机系统的特点和交流电机系统的可靠工作，组件更简单，操作维护更简单。无刷直流电动机的优势如下几点[1]：

（1）将机械换相改成电子换相，降低了噪音。

（2）速度调节范围宽，永远保持全功率运行。

（3）外部特性良好，即使系统低速运转，也能输出比较大的扭矩。

（4）导通相的控制简单。

由于无刷直流电动机需要使用位置传感器，所以它的进一步应用受到了局限。由于硬件重建电动机的中点电压不一定等于实际电动机中点电压，并且无刷直流电机具有漏磁通，波形的峰顶宽度一般小于120°，因此，对位置传感器进行控制在这里产生困难，文献[2-3]提出了一种反电势换相控制方法，可以很好地实现无霍尔传感器控制，本文采用无霍尔传感器软件控制策略，基于反电势换相法实现换相。

2 无刷直流电机控制系统的硬件设计

本文研制的无刷直流电机驱动控制系统的硬件控制框图。无霍尔时依靠反电势信号换相，首先将三相电压采样信号与软件的虚拟中点电压进行比较，根据各相的比较值，得到过零点比较值，给定换向信息。换向信息包括转子的对应位置等。该信息经处理之后，才能得到换流信号和PWM调制信号，IR2110S芯片提高信号的驱动能力，给系统提供换相调制信号，以确保电机的正常运转。

（1）控制器电源电路设计

控制器15V电源是采用稳压芯片MC7815从24V供电电压转换而来的，主要是用来驱动IR2110S芯片;5V电源从由电平调节芯片LM2576从24V电源电压转换而来。该稳压芯片只需要很少的外围设备。所以电路较简单，但它的可靠性很高，工作效率也很高，主要用于驱动74HC14六相施密特反相器和LM358运放电路等，其中VCC为5V。

（2）霍尔信号捕获设计

电机的霍尔信号需要输入上拉电压VCC以获得输出信号。霍尔传感器先会对电机定子和转子的相对位置进行检测扫描，然后输出位置信号，但是霍尔传感器传输出来的信号是断续不够理想的，这里使用了74 HC14六路施密特反相器芯片，将信号进行放大整形，以避免矩形波失真不理想，避免上升沿及下降沿波形产生抖动。此外，可以缓冲霍尔信号，并且霍尔信号在转换之前保持不变。此外，把输出中的一路信号连接到输入端，经过两次取反，从而使得到的信号更理想更优质。所获得的方波信号用于触发无刷直流电动机的控制器，实现电动机换向。

（3） 基于IR2110S的驱动模块设计

使用IR2110S驱动三相逆变桥的晶体管，该驱动芯片的开通时间是120ns，关断时间是94ns，输出和输入不仅同相且延迟很小不超过10ns。

IR2110S芯片需要输入两路信号用来驱动通路，即需要两路PWM信号驱动所述相同相。两个波形应该分别通过IR2110S，增加电压（本设计中为15V）、电流的驱动能力，然后驱动所述三相逆变器桥电路的一个相的上臂或下臂。来控制电机的定子绕组的导通。

（4）电流采样模块设计

由于当出现过电流时，采样电阻上的电压会增大，所以我们将采集电流转换成检测采样电阻上的电压，通过LM358芯片进行放大。由于电压跟随器运算放大器电路具有输入阻抗高并且输出阻抗低的特点，并且要检测的电压幅值很小，该运算放大器使用在此电路中非常合适。电压信号经过放大后一边反馈给驱动芯片，一边作为电压比较器的输入信号作为硬件故障信号。假设电路自己保护失败，还可以人为切断电源避免加大损失。

（5） 反电势端电压检测设计

采集三相端电压信号，输入到处理器，再与虚拟中点电压值进行比较，通常虚拟中点电压值是对该时段检测电压取平均值，比较后组成三位有效反电势信息，获得过零点换相控制信号，以此控制电机换相运行。

3 基于反电势换相的软件设计

基于反电势运行的程序流程为，初始化完成后，扫描电机控制按键是否按下，如果按下，进行下一个进程;如果扫描结果为未按下，扫描电机方向变化按钮是否被按下，若按下就改变电机运行方向，如果没有按下，返回到扫描控制按钮的状态。

当电机控制按键按下后，判断电机是否完成启动，完成启动则进行下一个进程，反之则程序循环定位直至检测到反电动势为止。

电机启动完成后进入运行状态，进入ADC采样中断程序，比较得到反电势信号，进入过零点检测换相程序，换相完成后，扫描电机控制按钮有没有第二次按下，按下了就重载PWM为低电平，回到第一步判断电机控制按键的状态;如控制按键没有再次按下，则电机继续运行，循环采樣比较得到换相信号进行换相。

4 总结

本文设计研制了一款直流无刷电机控制器。控制器可以采用无霍尔位置传感器控制，基于反电势换相的控制策略，试验结果表明，设计出的控制器能够可靠换相，试验结果与预期相符，对于工程实践具有一定的参考价值。

参考文献

[1]郭庆鼎.直流无刷电机原理与技术应用[M].北京：中国电力出版社，2007.

[2]胡延奇，范永坤，熊腊.一种新的无刷直流电机反电动势检测方法[J].微电机，2015，48（2）：49-53，61.

[3]李凤祥，徐浩，袁野，等.无刷直流电机无位置传感器转子位置辨识策略[J].电工技术学报，2014，29（12）：107-112.

作者简介：宋宏彪，男，汉，湖南怀化，1986.11，硕士，工程师，怀化学院，湖南省怀化市，研究方向：现代电力电子技术及系统。

资助项目：农业无人机用高速无刷直流电机无位置传感器控制策略的研究，2020，武陵山片区生态农业智能控制湖南省重点实验室科研项目，项目编号：ZNKZN2020-5。