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1、笼滋扒 宫 仍密动扮 满家汉 清华大学电子工程系( 1 0 0 0 8 4 ) 满伟 清华同方 摘要: 本文主要介绍了应用MO T O R O L A 公司的6 8 H C 0 8 J L 3 单片机设计无位置传感 器 、 的 小 功 率 直 流 无 刷电 机 驱 动 器 的 原 理 及 设 计 过 程 。 本 文 后 附 电 路 图 及 源 程 序 。 关链词: 传感器 直流无刷电机 MO T O R O L A单片机 概述 1 . 直 流无刷电 动 机的 结构 直流无刷电机的组成结构如图1 所示、 它主要由电动机主体反电动势传感器和 . 论 文 秦 2 a 侧 I . 乍 I月 反电动势
2、传感器 屯了为机 电子开关线路， 电子开关线路三部分组成。其定子的绕组方式为多相， 转子由水久磁钢按一定极对 数组成。图1 所示的电动机本体为三相两极三相定子绕组分别于功率开关器件联 接 当定子绕组在某一相通电时， 在磁场的相互作用下产生转矩， 驱动转子转动反 电动势传感器则将转子的位置变化转化为电信号 依据此信号使定子吝绕组按一定 顺序到通， 定子相电流随转子位置变化万 按一定的顺序换相 这样就起到了机械换相 器的作用 2 ， 无传感器的直流无刷电机的控制原理: 1 . )调速方案的特点: 传统的电动机调速方案是把电动机和速度传感器结合到一起， 从而在有限的范 围内实现无级调速，但由于速度传
3、感器普遍采用光电祸合器或霍尔el件，在长时间 运行后易发生速度传感器失灵等故障，且在低速运行时容易发热，电动机效率低 我此次设计采用了最新的无位置传感器直流无9 1 电动机控制技术。衷用无位置 传感器直流无刷电动机控制技术后， 可充分利直流无刷电动机的调速范围宽巨无位 置传感器和不易损坏的优点，实现t , 动机的无级变速、低噪吉提高了效率运行， 制精度和可靠性 2) 直流无刷电机的控制原iy: ( 1) 直流无刷电机的转速与二 压的关系: 直流无刷电机继承了直流电 机的特点.其转速与电压在一定范围内呈线形关 系。我设 计的驱动装置就是在此基础上实现对电机的1J= 电机转速与电压的关系 ( 以下
4、为买验数据 ) 条 ) l 72 43 03 54 04 5 夏 ( V ) 9 . 41 1 . 61 3 . 41 6 . 82 0 . 6之 4 通过对实验数据的分析， 发现在硕里率为30H/时， w _ 机转 妻t 电压的关系发兰 变化。对实验数据进行线行拟合， 将频率范困分为两部分:1 7 H Z 一3 0 H Z , 3 0 H Z 一 4 5 H Z 。其中。3 0 H Z处的数值 为拐点 论 文 集 ， ”年 ， 月. lj，J月，.JJll.1.j1JI.， ) V _ t 兹1 ; 测it ; O 扰老毋建测资世f友毋 ( 2 ) 无位里传感器的直流无刷电机的控制原理: 经
5、过对相关理论和实验结果的分析， 得出了无位置传感器直流无刷电动机的控 制方案。图2 所示为试验结果， 由惠普逻辑分析仪 ( 型号:1 6 6 3 A ) 测得的直流无刷 电动机的驱动波形和位置反馈波形。图中共有4 路P W M 波形， L a b O - - L a b 2 分别为U , V , W , L a b 3 为位置反馈波形 电机的位置反馈信号是由电机在转动时所产生的反电动势引起的。 观察实验数 据可以发现 当U , V , 以 按照下表顺序依次给出控制信号时. 位置反馈信号则为周期性 信号 (1表示高电, , 0表示低电平， 0 - 1表示有低到高 ) U 信号 1 I V 信号
6、1011 W 信号 0110 位置反馈信号0 - - 10- 10 - -1 0- -1 位置反馈信号可以超前于U , V , W信号发生变化。因此可以利用此信号作为判 断信号. 用来判断何时应该对电机进行换相。 因 此， 无 位置传 感器的 直流无 剧电 机 的控 制方案可以 归结 为如 下结 论: 由 单片 机对位置 反 馈信号 进行采样， 若 位1 2 反 馈信号 没有 发生 变化 ， 则输出 信号不变 ; 若 位置反馈信号发生变化，则输出信号变化，即对电机进行换相 3 )直流无别电机的控制方法 ( 1 )根据反电动势传感器的电信号控制直流无刷电机进行换相。 ( 2 ) 采用两两通电方式
7、驱动三相直流无刷电动机 A , B , C 三相分别接六只开关管。 在我的设计中采用的是电机驱动厚膜电路，它将六只开关管集成到一起了。假设A 相接V F 1与V F 4 . B 相接V F 3 与V F 6 , C 相接V F 5 与V F 2 。其中V F 1 , V F 3 , V F 5 为上臂,V F 2 , V F 4 . V F 6 为下臂 导通顺序为V F I V F 2 , V F 2 V F 3 , V F 3 V F 4 , V F 4 V F 5 , V F 5 V F 6 , V F 6 V F 1 , 。 ，11!J训1浦 . 论 文 秦 2 0 口 口月 卜r月 硬
8、件描述: 我所设计的直流无刷电动机控制器主要由两大部分组成: ( 1 ) M O T O R O L A 公司生 产的 6 8 C H 0 8 J L 3 单片机和键盘， 数码管组成的控制电路部分 2 )由北京方中科技公司 生产的开关电源控制器件1 7 H 0 2 1 7 ， 电动机驱动器件I T H 0 2 1 6 和其池外围器件组成的 开关电源部分。其系统框图见图3 留了笠蔗lt测9毋扰ff澎者时矛鳍槽田 1控制电路部分 控制电路由6 8 C 日 0 8 J L 3 单片机i n 键盘， 数码管组成 其中6 鱿日 0 8 J L 3 单片机负责 给出控制信号( 控制信号包括P W M 信号
9、， 直流无刷电动机的三组开关信号汉键盘用 来控制单片机， 数码管用来显示转t 健盘采Ir )“ 井”字型动态读取方犬，数码管显 示采用动态显示方式由于M C U 管脚数不足，键盘和数码管共用4条管脚. 2 开关电源部分 开关电源为电压可调型电源。由单片机产生P W M 波形， 通过积分电路、产生控 制电压。控制开关电源的输出电压。 i T 图如 F . 由于开关电 源电路会产生高次谐波，另外二极管存 在结电容， 为了 避免高次L e i 波反馈影响开关电i $ 的工作性能，在设钊电路时， 使用电感线圈抑制高次谐波的干 扰 开关电源的控制器采用厚P,K 开关电源控制电路此开关 L 源的最高输出电
10、压为 3 1 V ,我所需要的电 压范围为l O V一2 5 V P W M 波形的占空比约为3 2 % 一 8 1 % 我设 计的开关电源的频率为l O K 采取8 m愁线频率，一个鹰期计8 0 0 个数。对应占空比 3 2 % - 8 1 % ,高电平的计数长度为2 4 3 -6 1 9 选样_ 述参数-f 是考虑到以下因 素:开关电源的频率不能太低，v i, ! I, i, E T T 关电a 的波纹呢压较小;k断时间又不e r 短.以保证有足够的时问 进行计 r ,实5 U7 , 明软件生成P W M 波形的要求 宝 仑 岁忆 训卜 2 0 0 0 年I 月. 开关电源的输出采用北京方
11、中科技公司的电机驱动厚膜电路 I T H 0 2 1 6 ，它的控 制引 脚为 六个 ， 其由 三 个为 上 臂, 控制信 号高 有效， 另外 三个为 下 臂， 控制信号 低 有效 软件概述 : 1 .软件说明 本软件的主要功能为:检测电动机转子的位置;跟据电动机转子的位置情况， 进行换相; 根据由键盘输入的数: t .调整电动机的转动速度;显示电动机的实际转 速;键盘控制 其中读键盘，显示转速由主中断完成;检测电动机转子的位置，换相由子中断 1完成;调整电动机的转动速度，即输出P W M控制波形，由子中断2完成。 2 甲程序特点说明: 1 ) 我此次设计的是一种低成A的直流无刷电机的驱动器，
12、为此我选用了J L 3 这 款单片机 。由于J L 3 的资源较少，只有一个主时钟中断，而我的设计则需要多个 中断，用以完成P W M 波形的生成，换相控制以及对键盘和数码管的动态扫描。为了 解决这个矛盾，我采明了 利用软件算法产生P W M波形的方法。 采用纯软件的方法生成P W M 波形。即在进入子中断的时侯， 读取子中断在发生 中断时计数器的数值T C H I L ， 下 C H I H 。 在此数值上加上W I D E L ,W 工 D E H , 然后推出程序。 在自由计数器达到新数值时， 程序就会重新进入子中断。我就是以此种方法来生成 P W M波形的 2 )由于J L 3的内存只
13、有4 K ,无法存储大量的表格.因而不能采用一般的查表 法完生成P W M波形，只能利用计算数值点的方法生成必要的数据。我在程序中采用 线性差值法来计算某时刻的P W M波形的占空比。 3 ) 单片机的计算精度较低， 这会使控制器无法让电动机在准确的频率上运转。 为解决这个问题，我利用了双向计算的方法我在程序中将数据分区， 取关键的数 据点生成数据表。其特点是任意一个数据点的两端各有一个关键的数据Ao假设此 数据点的数值为V ，两端的关键数据点的数值分别为A , B o A , B , V 三点在一条直 线上，F a , F b , F v 分别代表这三点对应的频率。由线性差值法可得如下公式，
14、 AN V- B A- B F a - F v 一 F v - F b一 F a - F b 经 化 简 后 可 得V 二 V , = A 一 * ( . 4 一 )V = 叭= B ，( A B ) 但是由于单片机无法进行浮点运算，v l尹 V 2。为了 提高精度，分别计算出 v i，V 2， 然后对V 1， V 2求平均 5 ) 在采用上述方法进行计算时，由于运算量较大，需要较长的时间，在中断 程序内无法完成为解决这个矛盾， 我在程序中采用了动态数据表的方法。在电机 调速 时， 预先将数据算好， 存储在动态数拢表中、 这样就使运算时问不够的问题得到了解 决 口 论 大 案 2 0 0 0
15、4- I月 3 .软件流程图 及说明: 1) 主程序说明: 主程序主要完成初始化，键盘处理。动态数据的计算，清除看门狗这四部分的 功能。主程序在复位后进行初始化，随后进入主循环体。在此之后，先进行键盘处 理。键盘部分包括: 开始，停止， 确认， 取消，加一键。 减一键，设置键_ 它们的 功能 分如下: 开始:启动电动机，使电动机6 ; 1 8 0 0转/ 分钟的转速运转。 停止:使电动机停止转动。清除错误状态。 确认:确认由键盘输入的新转速 取消:取消由键盘输入的新转速 加一键:在所选的数值上加一 减一键:在所选的数值上减一 设置键:对修改数值进行设置.其设置顺序如下: f 奋个位 -一 一 卜十位一一一 粉 百位一 一 一 月 卜千 位一 一一卜取消设置一 - ， 在完成对键盘的处理之后， 程序进入动态数据表计算程序 这部分程序会根据实际情况选 择是否进行计算。 只有在电动机 调整转速的时候， 程序才会计算 新数据， 并根据调速方向， 调整 动态数据表并填写新数据。 这样 可以提高程序的运行效率 为了 消除单片机约运算误差， 进行两 次运算，然后取其平均值 最后执行清除看门狗的子 程序， 主程序再次进入键盘处理 程序 2)主程序流程 论 文 秦 2 0 00 .1 - 1 Jq
