一種基于PIC16F877A的無刷直流電機控制器設計

摘要：隨著科技的發(fā)展，對無刷直流電動機的性能提出更高的要求。本文在研究無刷直流電動機數(shù)學模型、導通方式的基礎上，以單片機PIC16F877A為核心設計控制系統(tǒng)硬件電路和軟件程序，硬件電路包括電機轉(zhuǎn)子位置檢測電路、PIC16F877A最小系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子位置檢測電路、IGBT驅(qū)動保護電路和系統(tǒng)信息反饋電路，并利用MPLAB軟件編譯平臺編寫控制系統(tǒng)軟件程序。通過對實驗結(jié)果的分析：可知本文所設計的控制系統(tǒng)性能可靠、結(jié)構(gòu)簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)對無刷直流電機的可靠控制。

電動機是將電能轉(zhuǎn)換為機械能的常用裝置，按照工作原理將電動機分為直流電動機和交流電動機。直流電動機具有平滑穩(wěn)定的調(diào)速特性和優(yōu)良的啟動性能，所以在需要頻繁啟動和速度變化要求較高的場合如機床、風力發(fā)電機、軌道列車、和軋鋼場等設備上有廣泛應用。但傳統(tǒng)直流電機轉(zhuǎn)子換相過程依靠電刷和換向器直接的配合，換相過程會產(chǎn)生火花和電磁干擾，對周圍電氣設備的電磁兼容造成很大影響，同時，電刷屬于易耗器件，需要定期檢查和更換，消耗大量人力資源和原材料的浪費。為了解決上述問題，很多專家、學者對無刷直流電機開展大量研究工作。

無刷直流電動機作為機電一體化的典型產(chǎn)品，具有傳統(tǒng)直流電動機的調(diào)速特性好、運行穩(wěn)定，又具有交流電動機結(jié)構(gòu)簡單、便于維護的優(yōu)點，所以在部分領域得到初步應用。稀土材料的發(fā)展使得無刷直流電動機得到進一步的發(fā)展，但采用稀土材料制成的無刷直流電動機成本過高，僅應用在航空、航天和軍用等高科技領域。20世紀80年代釹鐵硼永磁材料出現(xiàn)后，大大降低了無刷直流電動機的成本，為無刷直流電動機其在民用領域的應用提供可能，從幾十瓦至上百瓦的無刷直流電動機在汽車、機床、儀器儀表和石化化工等等民用領域初顯身手。

隨之電力電子技術和現(xiàn)代控制理論的快速發(fā)展，使得電動機技術獲得跨越性的變化，電機制作工藝和控制理論不斷成熟，關于無刷直流電動機控制技術研究是當今高校和科研單位研究的熱點。本文在對無刷直流電機數(shù)學模型、運行過程和主回路導通方式研究的基礎上，基于PIC16F877A設計了無刷直流電機控制系統(tǒng)，主要包括PIC16F877A最小系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子位置檢測電路、IGBT驅(qū)動保護電路和系統(tǒng)信息反饋電路，并利用MPLAB軟件編譯平臺編寫控制系統(tǒng)軟件程序。

1 無刷直流電動機

1.1 永磁無刷直流電機

永磁無刷直流電動機利用電與磁之問的關系，在電動機轉(zhuǎn)子上裝有永磁材料，定子上纏繞三相線圈，線圈通電時產(chǎn)生電磁場，電磁場和永磁體磁場之間相互作用使電機旋轉(zhuǎn)，隨之轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)三相繞組線圈換相，為電動機旋轉(zhuǎn)提供持續(xù)轉(zhuǎn)矩。永磁體采取徑向充磁的瓦形稀土永磁體。電動機定子三相繞組采用星型連接方式，處理器檢測轉(zhuǎn)子的位置，定子根據(jù)微處理器發(fā)送的信號進行換相，保證電機持續(xù)旋轉(zhuǎn)。

1.2 無刷直流電動機數(shù)學模型

分析時對理想的永磁無刷直流電動機作如下假設：

1)電動機定子三相繞相之間完全對稱，氣隙磁場為方波，定子電流和轉(zhuǎn)子磁場分布的磁場為對稱方波。

2)忽略電動機齒槽、換相過程和電樞反應等造成的影響。

3)電樞繞組在定子的內(nèi)表面上的分布方式為連續(xù)均勻的。

4)電動機定子電流為三相對稱1 200(電角度)的矩形波，定子繞組為600相寬的集中整矩繞組。

為了減小轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生紋波，永磁無刷直流電動機的氣隙磁密波形應該和供電電流的波形相同。在理想狀態(tài)下，矩形波定子電流和相同波形的氣隙磁通相互作用，兩者相結(jié)合產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。

1.2.1 電壓方程

根據(jù)電動機電壓平衡方程

式中，U表示三相繞組中的電壓，r表示每相繞組的電阻值，i表示運行時每相繞組中的電流，L表示每相運行電感，E表示每相反電動勢。有公式(1)可得運行時的無刷直流電動機電壓方程：

1.2.2 轉(zhuǎn)矩方程

在電磁轉(zhuǎn)矩上無刷直流電機和普通直流電機相似，電磁轉(zhuǎn)矩和磁通、電流幅值成正比變化，即：

Te=Pn(eaia+ebib+ecic)/ωr (6)

其中，Te為電動機的額定轉(zhuǎn)矩，Pn為電動機的極對數(shù);ωr為電動機的角速度;ia、ib、ic是A相、B相、C相相電流;ea、eb、ec為A相、B相、C相每相的反電勢。無刷直流電動機(忽略轉(zhuǎn)動時的粘滯系數(shù))的方程可寫為：

其中，Te為額定轉(zhuǎn)矩，TL為負載轉(zhuǎn)矩，J為電機轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動慣量的總和。ω為機械角速度。

1.3 主回路導通方式

三相半控和三相全控是無刷直流電機控制系統(tǒng)主回路控制方式的基本類型，無刷直流電機示意圖如圖1所示。三相半控電路采用3個功率器件控制繞組的導通方式，每個繞組由一個功率開關控制，一個周期只有1/3時間導通，另外2/3時間不通電，繞組沒有得到充分的利用。三相全控電路采用6個功率器件控制繞組的導通方式，同一時刻至少有兩相繞組導通，繞組得到充分利用，所以我們采用三相全控式電路。

在三相無刷直流電機全控式控制系統(tǒng)中，繞組導通方式常見的有兩兩導通方式和三三導通方式。采用在兩兩導通方式時，每個時刻都有不同橋臂的兩個功率器件導通，定義流人繞組的電流產(chǎn)生的力矩方向為正Ta，則流出(另一個繞組)電流產(chǎn)生的力矩方向為負Ta，則它們的合成力矩為3Ta，如圖2(a)所示。