一種基于PIC16F877A的無刷直流電機控制器設(shè)計

采用在三三導通方式時，每個時刻都有不同橋臂的3個功率器件導通，相鄰兩次換相的電角度為600，功率器件導通的電角度為1 800。如果認定流入繞組的電流產(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1.5Ta，如圖2(b)所示。

從上面的分析可以看出，對于三相Y接高壓斷路器無刷直流電機，為了獲得較大的輸出力矩，主回路通電方式采用兩兩導通方式更適合。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 硬件的結(jié)構(gòu)

基于PIC16F877A的無刷直流電機控制系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示，控制系統(tǒng)分為單片機最小系統(tǒng)、控制電路和控制對象三部分，其中單片機最小系統(tǒng)是指以PIC16F877A為核心包括電源模塊、晶振復位模塊和外部擴展模塊，控制電路包括光耦隔離電路、驅(qū)動逆變電路、電流檢測電路、轉(zhuǎn)子位置檢測和驅(qū)動保護電路，控制對象為永磁無刷直流電動機。PIC單片機最小系統(tǒng)為單片機提供工作所需的電源、時鐘信號、復位信號、和存儲器擴展?？刂齐娐房刂齐妱訖C繞組在合適的位置換相、驅(qū)動電動機持續(xù)運行，同時檢測系統(tǒng)參數(shù)，保證系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運行。

2.2 轉(zhuǎn)子位置檢測電路設(shè)計

霍爾傳感器的工作原理是半導體器件的霍爾效應(yīng)，是無刷直流電機換相控制中應(yīng)用較多的位置傳感器。根據(jù)霍爾元件的特性不同分為線性霍爾元件和開關(guān)型霍爾元件，線性霍爾元件輸出時一個和磁場成正比的連續(xù)信號，常用于連續(xù)量如位移等的測量，開關(guān)型霍爾元件的輸出時一個根據(jù)磁場強弱而變化的高低電平信號，常用作無刷直流電機的位置傳感器。根據(jù)控制系統(tǒng)實時性要求及安裝方便，本控制器采用鎖存型霍爾元件作為電機轉(zhuǎn)子位置傳感器。

根據(jù)電機內(nèi)部電磁場分布，將3個霍爾傳感器安裝在霍爾盤上，相鄰兩個之間的夾角為60°。由于在電機內(nèi)部不易安裝霍爾盤及拆卸不方便，故將其安裝在電機的外部，制作一個圓形磁鋼模擬電機內(nèi)部電磁場分布，霍爾元件的空間分布和輸出特性如圖4所示。當控制系統(tǒng)工作時，霍爾元件根據(jù)磁鋼的位置輸出高低電平，主控制芯片根據(jù)高低電平信號判斷電機轉(zhuǎn)子位置，調(diào)用內(nèi)部程序輸出正確的驅(qū)動信號，使電機開始動作。隨之電機轉(zhuǎn)角的變化，霍爾元件的輸出也發(fā)生變化，主控芯片根據(jù)霍爾元件的高低電平來確定IGBT的導通順序，使電機持續(xù)旋轉(zhuǎn)。

2.3 IGBT驅(qū)動保護電路設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)需求，設(shè)計IGBT隔離驅(qū)動電路是功率驅(qū)動電路的關(guān)鍵。VLA517—01R是替代EXB841的快速型IGBT集成驅(qū)動芯片，整個電路延遲時間不超過1μs，最高工作頻率達40～50 kHz，只需外部一個20 V電源供電，內(nèi)部可產(chǎn)生一個正驅(qū)動電壓及反向截止電壓，模塊內(nèi)部含有過流保護和故障信號輸出電路。EXB841輸入端15和14管腳有10 mA的電流流過時，內(nèi)部光耦導通，3腳輸出驅(qū)動電壓使IGBT導通，驅(qū)動信號截止，光耦截止，3腳輸出反向電壓使IGBT截止。本文所設(shè)計的IGBT驅(qū)動保護電路如圖5所示。

3 軟件設(shè)計

PIC單片機仿真器提供存儲器和時鐘，并能運行代碼，即使沒有與目標應(yīng)用板相連。在開發(fā)和調(diào)試期間，ICE提供了最強大的能力來發(fā)揮系統(tǒng)的所有功能，這樣允許用戶對應(yīng)用方便地進行測試、調(diào)試和再編程。控制器硬件電路設(shè)計完成以后，接下來是軟件編制工作。在軟件設(shè)計過程中，一般首先根據(jù)實際情況理清程序的運行過程，在結(jié)合硬件電路的特點設(shè)計出軟件的流程圖。在具體程序設(shè)計中，一般先把要用到的中斷進行定義和把變量定義到RAM中等，然后定義各個子函數(shù)，再編寫各個子函數(shù)，最后進行調(diào)試。

軟件程序是系統(tǒng)的靈魂，本文所設(shè)計的控制系統(tǒng)軟件程序由系統(tǒng)主程序、中斷服務(wù)子程序、速度檢測子程序和故障保護子程序組成。主程序中設(shè)定了系統(tǒng)的中斷信號由PIC單片機的事件管理器T2定時器的周期中斷來觸發(fā)，當T2周期匹配時，調(diào)用中斷服務(wù)子程序，通過速度檢測子程序?qū)z測量作為反饋值與設(shè)定的速度值比較，調(diào)節(jié)PWM的占空比，實現(xiàn)電機速度的調(diào)節(jié)。故障保護子程序檢測系統(tǒng)的電壓、電流和溫度，與給定安全值進行比較，當發(fā)成故障時，發(fā)出錯誤警報并封鎖控制信號輸出，實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的保護主程序、中斷服務(wù)子程序和故障保護子程序如圖6～8所示。

4 控制系統(tǒng)與電機試驗

將設(shè)計好的系統(tǒng)與電機聯(lián)機實驗，電機的額定功率為900 W，額定電壓為150 V，額定負載為4.31 N·m。通過示波器TDS1012觀察發(fā)現(xiàn)實際運行狀態(tài)下的霍爾反饋信號和理論分析結(jié)果完全一致，控制器的三路霍爾位置信號為空間上相差1200電角度的矩形波。實驗過程分別測量負載轉(zhuǎn)矩為0N·m、2.2 N·m和4.4 N·m時電機電流，如圖9所示。從圖可知：電機的電流曲線近似于正玄波，本文所設(shè)計的控制系統(tǒng)能夠在不同負載情況下驅(qū)動無刷直流電動機動作，系統(tǒng)可靠性強、穩(wěn)定性能好。

5 結(jié)論

文中以PIC16F877A單片機為核心設(shè)計了無刷直流電動機控制系統(tǒng)，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)信息反饋電路等，并編寫控制系統(tǒng)軟件流程。通過試驗驗證本文所設(shè)計的控制系統(tǒng)能夠可靠驅(qū)動無刷直流電機可靠運行。