基于单片机PIC18F2431的无刷直流电动机控制系统

关键词：无刷直流电动机；PWM；闭环控制
0 引言
直流电机由于调节特性好，堵转转矩大，被广泛应用 于驱动装置及伺服系统。但是有刷直流电动机结构复杂， 需要通过电刷换向，会产生火花并导致电磁干扰，从而使 有刷直流电动机的转速及安全等级不能满足许多场合中的 工业生产需要，其使用范围受到限制。
电子器件制造工艺的进步使制造大功率电子换向器成 为可能，并使无刷直流电动机 （BLDCM） 技术有了飞速 的发展。无刷直流电动机既具有传统直流电动机的优点， 又由于采用电子换向器，从而克服了机械换向带来的一系 列问题，使无刷直流电动机成为当前电动机控制领域的热 门课题，并且很大一部分电动自行车都使用 BLDCM 作为 驱动元件。
新设置 PWM 的占空比，从而达到调速的目的。在此时同 时 检 测 RC0 是 否 有 键 按 下 ， 如 果 没 有 ， 则 系 统 等 待 ， BLDCM 处于运 行 状 态 ，否 则 ，置 OVDCON 为 0， 禁 止 PWM 输出，从而 BLDCM 停止运行。
4 结论
本设计利用 PIC18F2431 单片机设计的无刷直流电动 机控制系统，结构简单，易于实现。经过测试后，能使无 刷直流电动机正常换相和正反转，利用比例和积分控制调 节的闭环系统控制无刷直流电动机调速，起到了良好的效 果，达到了设计的要求和目的。
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期望速度，通过检测绕组电流来检测转矩和起到过流保护 的作用。6 路 PWM 输出连接三相桥式驱动器 （IR2130）， 再由三相桥式驱动器连接到 6 个 N 沟道的功率管 （IRF540），这些功率管以三相桥式连接到 3 相 BLDC 电机 绕组。BLDCM 的三路霍尔传感器信号连接到 IC 模块，这 三路信号只要有状态变化，PIC 单片机就会产生中断，使 BLDCM 按照一定的顺序换向。此外，提供了一个按钮开 关，用于起动和停止电机。
参考文献： [1] 李发海，王岩. 电机与拖动基础[M]. 北京：清华大 学出版社，2004. [2] 叶金虎. 现代无刷直流永磁电动机的原理和设计 [M]. 北京：科学出版社，2007. [3] 童诗白，华成英. 模拟电子技术基础[M]. 北京：高 等教育出版社，2000. [4] 陈新建，邵少雄，葛长虹. PIC 系列单片机程序设 计与开发应用[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2007.
学术天地
1 钒矿资源概述
钒是一种质地坚硬，高熔点，无磁 性，有韧性的浅灰色金属。钒的用途非 常广泛，在钢铁工业中，钒钢具有强度 大、韧性、耐磨性及耐蚀性好的特点， 此外钒还是多种合金的重要组成部分。 在化工中主要应用的钒制品有深加工产 品 V2O5， NH4VO3 （偏 钒 酸 铵）， NaVO3 及 KVO3 等。它们分别 应 用 于 催 化 剂 、 陶瓷着色剂、显影剂、干燥剂及生产高 纯氧化钒或钒铁的原料。
位置传感器采用霍尔传感器，因为 BLDCM 自带的位 置传感器通常是光电编码器、霍尔传感器或正余弦旋转变 压器。光电编码器和正余弦旋转变压器精度高，但价格 昂贵，所需算法较复杂，主要应用于仿真转台或精密数 控机床等。霍尔传感器结构简单、价格低廉，在 BLDCM 控制系统中应用很广，电动自行车中常采用霍尔传感器。 在电动机定子上间隔 600 放置 3 个霍尔传感器，可满足 BLDCM 的换向控制需要，而且可以通过检测霍尔传感器 输出信号的频率或脉冲宽度，来检测电动机转速，实现速 度闭环。
本文提出了基于单片机 PIC18F2431，并以霍尔元件 作为位置传感器的 BLDCM 控制系统实现方案。
1 无刷直流电动机控制原理
带位置传感器的无刷直流电动机控制系统如图 1 所示。
住，在知道转子磁体的精确位置的前提下，必须以特定的 方式按顺序为定子通电。位置信息通常可用位置传感器检 测转子磁体位置获得。
3 控制系统的软件设计
BLDCM 控制系统利用比例和积分控制调节反馈来实 现 BLDCM 闭环速度控制的流程图。首先初始化 PWM 模 块、A/D 模块、运动反馈模块和 TIMER5；然后检测 RC0 是否有键按下，如果没键按下，则等待，否则读取霍尔传 感器的值，查霍尔信号输入与 OVDCON 的对应关系表， 装载 OVDCON，PWM 开始输出，BLDCM 位置的变化引起 霍尔输入信号变化，从而产生中断，重新查霍尔信号输入 与 OVDCON 的对应关系表，装载 OVDCON，重复上述过 程，电机开始转动；功率控制 PWM 模块上升沿触发 2 通 道 A/D 转换，RA0 采样滑动变阻器确定给定转速，RA1 采样绕组电流检测转矩和过流保护。利用检测 IC1 上的状 态 变 化 触 发 TIMER5 开 始 和 停 止 计 时 ， 从 而 可 以 得 出 BLDCM 的实际转速，计算实际和给定转速的差值，并应 用比例和积分控制调节 （Proportional and Integral，P）I 重
2 国外提钒工艺
原油是全球最重要的一种提钒资 源。但是全球石油中钒的含量变化很 大。委内瑞拉、加拿大和美国原油含有 220ppm~400ppm 的钒，是全球石油含钒 量较高的少数几个国家。其它石油含钒 相对较高的国家在中东，例如伊朗石油 含 101ppm 的钒，埃及石油含 79ppm 的 钒，其它国家石油含钒量都低于 60ppm。原油在精炼过程中钒富集于重 油中，这些重油可进一步精炼或作为燃
控制器部分可使用单片机或 DSP。控制器通过读取位 置传感器信号来检测 BLDCM 的转子位置，从而决定换相 策略，输出控制信号到驱动电路，控制功率器件的开关顺 序，使电动机连续转动。通常，BLDCM 控制系统还具有 速度闭环及过流保护功能。
外接驱动电路可采用全桥电路，通过调节功率器件的 开关顺序来实现 BLDCM 的换向控制，并可以实现电动机 的正反转控制。通过在上下桥臂调制 PWM 信号来平衡功 率器件的工作压力，能延长其工作寿命。
开发与研究
基于单片机 PIC1 8 F2 4 31 的无刷直流电动机控制系统
华中农业大学工程技术学院 尹作菲 郑相周
摘要：本文以无刷直流电动机 （BLDCM） 为研究对 象，阐述了 BLDCM 的控制原理，并给出了 BLDCM 控制 系统的硬件和软件的实现方法。在闭环控制中采用了比例 和积分 （P）I 控制，起到了良好的效果。
[5] Microchip. Brushless DC Motor Control Using PIC18FXX31 MCUs，2004 （资料） .
（收稿日期：2008- 12- 09）
60 《湖北农机化》2009 年第 1 期
PWM IC
MOSFET
6 路 PWM
驱动电路 绕
输出
组
接
3 路霍尔信号
M
线 端
图 2 硬件原理结构图
2 控制系统的硬件设计
所提出的 BLDCM 控制系统硬件原理图如图 2 所示。 其中 2 路 A/D 信号分别采样滑动变阻器阻值和绕组电流， 通过调节滑动变阻器的阻值来调节 PWM 的占空比即设定
《湖北农机化》2009 年第 1 期 59
世界上已经探明的钒资源储量有 9源自%共生于钒钛磁铁矿。世界上钒钛磁 铁矿的储量很大，主要分布于俄罗斯、 美国、南非、中国、挪威、瑞典、芬 兰、加拿大和澳大利亚。据美国矿业局 统计, 世界上的钒资源储量基础为 1.60
钒 矿华
中 农
资业 大
源学 工
及程 技
提术 学
钒院 工李
季
艺 张
综衍 林
述
亿 t，按目前的开采规模计，尚可开采 150 年。从钒储量基础的占有比重情况 看，南非占 46%, 俄罗斯占 23.6%，美国 占 18.1%, 中国占 11.6%，其他国家占有 总和的不足 6%。各个国家依据钒矿资 源的不同，其提钒的工艺也大不相同。
控制器
位置传感器
PIC18F2431 A/D
滑动变阻器 绕组电流检测
驱动电路
M
图 1 BLDCM 控制系统结构图
BLDCM 直流电机一般采用内外倒置结构。在一般直 流电机中，定子是永磁体。转子上有绕组，对绕组通电。 通过换向器和电刷将转子中的电流反向来产生旋转或运动 电场。与之相反，BLDCM 的绕组在定子上而转子是永磁 体。“内外倒置的直流电机”这一称谓由此得名。要使转 子转动，必须存在旋转电场。一般来说，三相 BLDCM 具 有 3 相定子，同一时刻为其中的两相通电，以产生旋转电 场。此方法容易实现，但是为了防止永磁体转子被定子锁