两种新型实用直流无刷电机控制器的设计与实现_邱明

控制器中电子换相电路的设计方法有很多。

对于有位置传感器的无刷电机，用中小规模数字集成电路和经典的数字电路设计方法即可实现。

例如，用可编程逻辑器件ＣＰＬＤ可在计算机上完成硬件设计、波形仿真和下载。

目前用于无刷电机控制的专用集成电路种类有很多，如ＭＯＴＯＲＯＬＡ公司生产的ＭＣ３３０３５、东芝公司生产的ＴＡ７２４７芯片等。

这些专用芯片对使用电压、工作电流及电机类型都有一定要求。

实践证明使用专用芯片设计控制器在芯片的选择、驱动电路设计及试验等环节并非省时省力。

在参考和分析了多种专用集成电路工作原理后，用ＰＩＣ单片机设计出两种有位置传感器的无刷电机控制器，同时与专用集成电路设计的控制器进行了对比，得出以下三方面结论：（１）单片机在改变功能和价格上优于专用芯片；（２）软件程序便于加密，有利于知识产权的保护；（３）软件编程灵活，可根据用户需求增加和完善功能。

有了ＰＩＣ单片机的控制核，只要改变外围驱动、保护、输出电路，即可对不同功率、不同电压或内部结构不同的无刷直流电机实现控制。

１控制核心控制器采用ＰＩＣ１６Ｆ８７７或ＰＩＣ１６Ｆ８７６单片机，使用的功能和接口有：八路输入（ＰＩＣ１６Ｆ８７６为四路输入）１０位Ａ／Ｄ转换器，分辨率达十位的ＰＷＭ脉宽调制输出口ＣＣＰ１，可响应外部逻辑电平变化时产生中断的端口Ｂ０、Ｂ４、Ｂ５，用于换相输出的端口Ｃ。

核心部分结构如图１和图２所示。

２高电压大功率控制器工作原理该控制器是针对大功率高电压无刷直流电机设计的，电源取自２２０Ｖ交流电压整流滤波后产生的３００Ｖ左右的直流电压（电机功率范围为５００Ｗ￣２０００Ｗ）来对智能功率模块输出部分供电。

为简化硬件电路，降低元器件成本，单片机及相关的控制电路供电部分由一只小变压器降压后提供。

低压电源提供五组独立输出，其中一组给单片机供电，完全隔离。

另四组提供给功率模块内部驱动电路。

整个控制部分所需两种新型实用直流无刷电机控制器的设计与实现邱明，张曙明，曲金泽（北京联合大学实训基地电工电子中心，北京１００１０１）摘要：直流无刷电动机通过电子换相实现电机运转，与有刷直流（机械换相）电机相比具有噪声低、无电火花干扰、效率高、使用寿命长等优点。

所介绍的控制器用ＰＩＣ单片机完成电子换相及调速控制，其中，软件实现转子位置检测、旋转磁场信号输出及电机ＰＷＭ调速。

关键词：直流无刷旋转磁场ＰＷＭ调速智能功率模块７７《电子技术应用》２００６年第１０期本刊邮箱：ｅｔａ＠ｎｃｓｅ．ｃｏｍ．ｃｎ电流较小，除５Ｖ输出采用全桥式整流外，其他四路采用单只二极管半波整流。

变压器功率５Ｗ左右即可满足要求，加工成本也较低，变压器和其他元器件焊在同一块电路板上，体积和重量是可以接受的。

电路工作原理如下：单片机上电后，程序对输入输出端口进行设定，端口Ａ为模拟量输入，端口Ｂ、Ｃ设为数字量输入和输出，设定工作通过写专用寄存器实现。

程序初始化工作完成后，检测起／停按钮，当按下按钮时，进入工作程序，检查位置传感器信号和速度调整电位器电压值，将这些数据在单片机内部处理后，调整ＰＷＭ的脉冲宽度，输出对应的电机驱动控制信号。

中断服务程序可提高工作效率。

当位置传感器的三个输入引脚电平随之变化时，在单片机内部产生中断，中断服务程序完成输入和输出的译码，输出控制信号产生磁极变位，此过程连续下去产生一个相位超前的旋转磁场，驱动电机运转。

在未进入中断服务时，单片机可设置Ａ／Ｄ转换、读取Ａ／Ｄ数据、电机起／停检测、过流检测等多项内容，单片机工作时具有较高的实时性。

３低电压中小功率控制器工作原理该控制器供电电源取自蓄电池组，电池电压根据电机功率（１８０Ｗ￣５００Ｗ）由电机生产厂商提供。

电机电压可分为２４Ｖ、３６Ｖ、４８Ｖ、６０Ｖ。

电路中不设隔离电源，单片机＋５Ｖ电源和驱动电路＋１５Ｖ电源由电池降压稳压后提供。

电路中采用六只Ｎ沟道功率ＭＯＳ场效应管，驱动部分采用专用集成电路ＩＲ２１０２（关于ＩＲ２１０２的工作原理将在电路的驱动和输出部分详细介绍）。

在低电压驱动器中用ＭＯＳＦＥＴ管代替智能功率器件，取消了高速光电隔离、电源整流、滤波、隔离供电等部分，硬件费用降低，是一种低成本的无刷电机控制器。

考虑到使用中会出现电流过载和蓄电池电压过低的情况，该电路中增加了过电流检测和欠压检测部分。

单片机软件部分除具备大功率控制器的功能外，还需要针对过流和欠压进行监控。

４智能功率模块（输出部分）大功率控制器输出部分选用三菱公司的智能功率输出模块ＰＭＸＸＣＳＪ０６０。

与常规的ＩＧＢＴ功率输出管相比，该芯片属于成熟的第三代高频ＩＰＭ集成器件，其内部采用绝缘基板工艺，内置栅级驱动和保护电路，根据电机功率的大小可选用不同额定电流的模块。

例如２０Ａ耐压６００Ｖ的功率器件型号为ＰＭ２０ＣＳＪ０６０，其中，２０代表额定电流２０Ａ，０６０代表耐压６００Ｖ，详细资料可通过三菱公司网站查询。

５专用ＭＯＳ驱动芯片ＩＲ２１０２用于低压控制器的驱动芯片ＩＲ２１０２是美国国际整流器公司（ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＲｅｃｔｉｆｉｅｒＣｏｍｐａｎｙ）的产品，可驱动ＭＯＳＦＥＴ或ＩＧＢＴ。

该芯片的应用简化了驱动电路的设计。

ＩＲ２１０２内部采用自举技术设计出悬浮电源，实现一相两个Ｎ沟道逆变桥输出电路的控制，如图３所示。

其工作原理如下：ＩＲ２１０２为８引脚芯片，ＨＩＮ和ＬＩＮ分别为高侧ＭＯＳ管和低侧ＭＯＳ管驱动输入端（低电平有效），Ｃ为自举电容，Ｄ为充电二极管。

为防止输出桥臂短路，禁止ＨＩＮ、ＬＩＮ同时为低电平。

当ＨＩＮ为高电平、ＬＩＮ为低电平时，输出ＬＯ比低电位高１５Ｖ，ＭＯＳ管Ｑ２导通；反之当ＨＩＮ低电平、ＬＩＮ为高电平时，开始ＨＯ比ＶＳ高出１５Ｖ（注意：这个电压是对电容充电的结果），随着时间的延续，电容会通过电阻Ｒ１３、Ｒ２７放电，导致电压不断下降。

Ｑ１导通时间与电容Ｃ容量有关，当脉宽调制频率在５ｋＨｚ以上时，电容Ｃ选用０．１!Ｆ即可。

关于ＩＲ２１０２的详细资料可通过网站ｗｗｗ．ＩＲＦ．ｃｏｍ．ｃｎ查询。

６软件设计对有位置传感器的无刷电机而言，多数电机位置传感器状态分６０°和１２０°两种，在未知电角度的情况下，可用数字逻辑分析仪对位置状态的三个输出进行测量，测量时匀速转动电动机转子，测量的输出波形如图４所示。

每六个状态为一个电角度周期，重复这一过程。

根据实测结果列出电机顺时针和逆时针转动六状态输入输７８《电子技术应用》２００６年第１０期欢迎网上投稿ｗｗｗ．ａｅｔｎｅｔ．ｃｎｗｗｗ．ａｅｔｎｅｔ．ｃｏｍ．ｃｎ《电子技术应用》２００６年第１０期本刊邮箱：ｅｔａ＠ｎｃｓｅ．ｃｏｍ．ｃｎ出表，作为编程时的原始数据写入程序。

程序内容包括：（１）初始化设置设置相关端口（端口Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｅ），通过写入专用寄存器实现。

（２）主程序内容单片机内部功能模块包括Ａ／Ｄ转换器、ＰＷＭ功能的设置，将电机正反转输入输出表数据写入指定存储器单元。

开放中断，确定正反转状态，循环检测电机起／停工作按钮电平。

（３）中断服务程序当电机运转位置（六状态之一）发生变化时，单片机响应中断进入中断服务程序，在此完成输入输出的译码、滤除错码、调整Ｂ０口电平中断方式等内容。

（４）子程序子程序包括延时程序、ＲＢ０输入端中断电平调整程序、Ａ／Ｄ转换程序。

软件流程图如图５所示。

无刷直流电机应用领域近几年发展非常迅速，证明它自身有很多不可替代的优势，各种类型的控制器也应用而生。

在追求高效、宽调速范围的前提下，控制器的高可靠性是制约电机应用普及的关键因素。

一方面新型的智能功率器件不断出现，为设计人员提供了更好的硬件基础；另一方面软件设计也是提高可靠性的重要环节，好的软件设计可在很大程度上弥补硬件设计的不足，这些也正是很多工程技术人员追求的目标。

参考文献１谭建成．电机控制专用集成电路．北京：机械工业出版社，１９９９２刘和平．ＰＩＣ１６Ｆ８７Ｘ单片机实用软件与接口技术．北京：航空航天大学出版社，２００２３刘和平．ＰＩＣ１６Ｆ８７Ｘ数据手册．北京：航空航天大学出版社，２００１４王晓明．电动机的单片机控制．北京：航空航天大学出版社，２００２（收稿日期：２００６－０５－２５）!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"!!!!!!!!!!!!!!"!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"!!!!!!!!!!!!!!"泰克新型实时频谱分析仪满足数字ＲＦ技术迅猛发展的需求泰克ＲＳＡ６１００Ａ提供了业内领先的带宽和动态范围组合；ＤＰＸＴＭ波形图像处理器提供了第一个实时的ＲＦ信号展示，揭示以前从未见过的现象俄勒冈州比弗顿，２００６年９月５日，世界领先的测试，测量和检测仪器供应商泰克公司（ＮＹＳＥ：ＴＥＫ）宣布推出泰克ＲＳＡ６１００Ａ系列实时频谱分析仪，提供了无可比拟的实时性能、捕获带宽和动态范围组合，满足了广泛的尖端数字ＲＦ应用的需求。

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（泰克公司供稿）７９。