基於MC9S12X128無刷直流電機控制系統設計

2020-11-24 電子產品世界

摘要 為滿足對直流無刷電機控制要求精度高、調速性能好、系統實現成本低的需要，設計了一種無刷電機控制系統。該系統以MC9S12X128單片機為控制核心，採用IR2130晶片驅動MOSFET功率管，實現對直流無刷電機三相六拍PWM控制。系統硬體電路結構簡單、調速方便、功耗低。實際運行測試表明，電機可以長期穩定運行。
關鍵詞 單片機；直流無刷電機；驅動電路；位置檢測；電流檢測

直流無刷電機是一種高性能電機，它具有效率高、可靠性好、結構簡單、便於維護和體積小等優點。與直流電機相比，無刷電機沒有電刷和換相器，而採用電子電路進行換相，換相時不會產生電火花，不存在機械換向損耗。與異步電機相比，無刷電機的轉子與定子磁場同步旋轉，因此不存在轉子損耗。與同步電機相比，無刷電機控制方法簡單，便於工程應用的特性，使其被廣泛應用於眾多領域。
直流無刷電機的控制方案有多種，如文獻採用DSP作為主控制器的控制系統，文獻採用FPAG控制無刷電機，文獻選用MEGA8單片機控制方案。這些控制方法都能夠實現電機的正反轉、啟停等控制，但在系統實現成本、控制精度、運行穩定性和外圍電路的能源消耗等方面上卻有較大的差別。使用DSP和FPAG的控制方案，系統的控制精度高、穩定性好，可以應用於工業生產中，不足之處在於成本過高，無法大量用於日常生活中。而採用MEAG8控制方案雖然成本低，與DSP、FPAG相比，系統的性能相差很大，無法滿足工業生產的要求。
針對上述問題，提出設計以MC9S12X128單片機為核心的直流無刷電機控制系統。該控制系統實現成本低，而電機的控制性能上與DSP和FPGA等高端控制方案上相差不大，可以在工業生產中廣泛應用。文中所選擇的主控晶片有豐富A／D轉換和PWM通道，適合電機的控制。為減少能源消耗和降低電路的複雜性、電路成本，提高控制系統的可靠性，同時也為了便於系統維護和功能擴展，系統硬體電路採用模塊化設計的原則，每個模塊電路儘可能使用集成晶片。

1 直流無刷電機控制原理
直流無刷電機的運行原理與有刷直流電機基本相同，只是電機的換相方式有區別，無刷電機採用電子換相，利用轉子位置傳感器檢測轉子位置，通過換相驅動電路控制與電樞繞組連接的各功率MOSFET管的導通和關斷，實現電機換相的目的。電樞繞組Y連接三相全控橋驅動電路如圖1所示。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/177846.htm


三相全控橋電路的換相周期為60°電角度，每個換相周期中只有兩個功率MOSFET管導通，每次換相一個功率管，每個功率管導通120°電角度。圖中Q1～Q6為功率場效應管，當需要AB相導通時，只需要打開Q1，Q6管，而使其他管截止。此時電路中的電流路徑為：電源正極-Q1-線圈A-線圈B-Q6-電源負極。按照這種導通方式就會有6種相位模式：AC，BC，BA，CA，CB，AB，對應的MOSFET管打開順序為Q1Q2，Q2Q3，Q3 Q4，Q4Q5，Q5Q6，Q6Q1，如果規定這個導通順序為電機正向旋轉一周，則反向旋轉只要逆著控制上述MOSFET管導通順序即可實現。

2 控制系統主要硬體電路設計
2．1 系統硬體結構
直流無刷電機控制系統結構框圖如圖2所示。控制系統以MC9S12x128單片機為核心控制晶片，負責處理採集傳回的電流和轉子位置信號，電機控制算法的實現，生成直流無刷電機旋轉所需的控制脈衝及與外界交互操作等功能。通過按鍵設定需要的轉速之後，主控晶片根據給定的轉速生成相應頻率的PWM信號，控制驅動電路的功率管開關時間，使電機的轉速達到預期值。無刷直流電機的換相時刻由轉子的位置決定，因此系統中加入了位置檢測電路用於檢測轉子的位置，位置傳感器採用的是位置霍爾傳感器。為了保證電機在動態過程中出現電樞電流過流或欠流時系統的性能不會受到過大的影響，加入了電流檢測電路，通過這個電路將流過電機的電流進行採樣，一旦出現異常情況，主控制器馬上採取相應的措施保護這個控制系統，避免意外事故的發生。隔離電路是防止感性負載的存在而產生大量的幹擾信號，將幹擾產生的影響降到最低，使系統能夠長期穩定的運行。監控電路的作用是使系統一直工作在有效電壓之內，提高系統的可靠性。RS232接口和按鍵接口電路用於電機轉速調節和控制，滿足對轉速的各種要求。


2．2 主控器
主控制器選擇的好壞直接影響整個直流無刷電機控制系統的性能，在充分考慮了實現成本和功能需要後，採用飛思卡爾的MC9S12X128作為主控制晶片。該晶片具有豐富的A／D轉換通道和PWM通道，適合用於電機控制。在實際使用時只要配置好相應模塊的寄存器，就可以使用模塊功能，不需要複雜的程序編寫，這樣就可以將主要精力放在硬體電路性能的提高上。對於系統運行過程中出現的問題，可以方便地進行調試和維護。

霍爾傳感器相關文章:霍爾傳感器工作原理

霍爾傳感器相關文章:霍爾傳感器原理

相關焦點

  • 無位置傳感器的直流無刷電機控制系統設計與實現
    無位置傳感器的直流無刷電機控制系統設計與實現 佚名 發表於 2015-06-11 11:35:57 　　引言 　　傳統上把具有梯形波反電勢的永磁同步電機稱為直流無刷電機
  • 基於無刷直流電機的驅動及各種控制系統實現
    基於DSP控制的無刷直流電機的電動執行器的設計基於TMS320F240數位訊號處理晶片、智能功率模塊IPM、無刷直流電動機的智能電動執行器的驅動系統具有以下主要特點：控制電路簡單、軟體代替硬體、開發速度快、系統運行平穩。
  • 基於PIC16F877A的永磁無刷直流電機的控制器設計
    本文在對無刷直流電機數學模型、運行過程和主迴路導通方式研究的基礎上，基於PIC16F877A設計了無刷直流電機控制系統，主要包括PIC16F877A最小系統、轉子位置檢測電路、IGBT驅動保護電路和系統信息反饋電路，並利用MPLAB軟體編譯平臺編寫控制系統軟體程序。
  • 一種基於PIC16F877A的無刷直流電機控制器設計
    本文在研究無刷直流電動機數學模型、導通方式的基礎上，以單片機PIC16F877A為核心設計控制系統硬體電路和軟體程序，硬體電路包括電機轉子位置檢測電路、PIC16F877A最小系統、轉子位置檢測電路、IGBT驅動保護電路和系統信息反饋電路，並利用MPLAB軟體編譯平臺編寫控制系統軟體程序。
  • 基於SVM的永磁無刷直流電機無位置傳感器控制
    孫希鳳，秦斌，王欣（湖南工業大學，湖南 株洲 412000）本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201912/408672.htm　　摘 要：由於傳統帶位置傳感器直流電機容易受到外界的影響、體積較大且電機運行時電刷與換向器摩擦造成損耗會減少電機壽命，為了減小位置傳感器對電機的影響，針對永磁無刷直流電機的位置檢測問題，提出了基於支持向量機的永磁無刷直流電機無位置傳感器控制方法
  • 無刷直流電機高精度採樣保護電路設計
    該電路可以對無刷直流電機工作時的三相電流進行實時採集，以便於控制系統進行閉環控制，並對電機和控制系統快速實施保護。最後通過實驗證明了該電路精度高、可靠性好，可以有效的保障控制系統和電機的正常運行。　　在無刷直流電機控制系統中，電流採樣及保護電路作為其中的一個反饋環節，作用是對電機運行時的電流進行實時檢測採集，經過處理後，把電流信號轉換為控制系統可以識別的小電壓信號，讓控制系統可以做出相應的控制和保護動作。
  • 基於Proteus和AVR單片機的無刷直流電機控制系統仿真
    摘要：文中設計的無刷直流電機控制系統選擇ATmega128單片機作為主控晶片，使用了EDA工具軟體Proteus設計了在仿真實驗中利用Proteus軟體的仿真功能，進行了電機轉速控制的實驗，控制系統的可行性以及轉速控制效果得到了驗證。實驗過程中能直觀地看到實驗結果，所設計的系統滿足了無刷直流電機轉速控制的要求，電機運行穩定，在硬體電路和軟體設計都有一定的輔助作用。
  • 基於ATmega8的無刷直流電機調速控制系統
    本文根據無刷直流電機的原理，利用美國Atmel公司2002年推出的一款新型AVR高檔單片機ATmega8作為主控晶片設計了一種無刷直流電機調速控制系統，該系統具有硬體結構簡單、軟體設計靈活、適用面廣、價格低廉等優點?具有一定的實用價值。
  • 微型無刷直流電機的無位置傳感器控制
    >永磁無刷直流電機能夠較好地滿足要求。無刷直流電機的無位置傳感器控制的難點在於轉子位置信號的檢測，目前國內外研究人員提出了諸多方法，其中反電動勢法最為簡單、可靠，應用範圍最廣泛。普遍採用的控制方案為基於DSP的控制和基於專用集成電路的控制等，但是其價格高、體積大，不利於用在微型電機控制器中。
  • 無刷電機方案設計
    鼎盛合分享無刷直流電機方案。無刷直流電機由電動機主體和驅動器組成，是一種典型的機電一體化產品。由於無刷直流電動機是以自控式運行的，所以不會像變頻調速下重載啟動的同步電機那樣在轉子上另加啟動繞組，也不會在負載突變時產生振蕩和失步。
  • 利用電子仿真軟體Saber對無刷直流電機控制系統進行仿真分析
    利用電子仿真軟體Saber對無刷直流電機控制系統進行仿真分析 電子設計 發表於 2019-04-29 08:26:00 無刷直流電機是在有刷直流電機的基礎上發展起來。
  • 無刷電機是交流電還是直流電
    無刷電機的特性就是一切具備直流電機外部特性的採用電子換相的電機統稱為無刷電機。由於無刷電機的出現，打破了交流，直流調速系統之間的嚴格界限。在無刷電機的發展史中曾出現兩種區別較大的無刷電機結構形式，即無刷直流電機和交流式換向無刷電機。
  • dsPIC30F6010的直流無刷電機控制系統
    摘要：基於dsPIC30F6010微處理器設計了無刷直流電動機有位置傳感器法和反電勢過零檢測法的調速系統。根據無刷直流電動機的特點和所用控制晶片的功能，分別提出了有位置傳感器法和無位置傳感器法的控制方案。從試驗測試結果來看，電機啟動穩定快速、正常，運轉良好，具有較寬的調速範圍等，反電動勢過零檢測法補償圖形符合要求。
  • 什麼是無刷直流電機?
    無刷直流電動機是拆下電刷和換向器的電動機之一，這是直流電動機的缺點。它的特點是：（1）永磁場型更換直流電機（定子側）和電樞繞組（轉子側）的磁場永磁體，將永磁體放置在轉子側，電樞繞組放在定子側。（2）代替由於換向器位置的變化而使用電刷進行通電切換，使用霍爾元件來檢測轉子位置信號並反饋到逆變器以控制通電這是一種無刷直流電機。
  • 無刷直流(BLDC)電機控制解決方案
    無刷直流（BLDC）電機控制解決方案 電子設計 發表於 2019-01-24 08:54:00 無刷直流（BLDC）電機正迅速成為要求高可靠性，高效率和高功率體積比的應用的自然選擇
  • 基於PIC16F690的直流無刷電機驅動器設計
    傳統的直流電機調速方法很多，如調壓調速、弱磁調速等，它們存在著調速響應慢、精度差、調速裝置複雜等缺點。隨著全控式電力電子器件技術的發展， 以大功率電晶體作為開關器件的直流脈寬調製(PWM)調速系統已成為直流調速系統的主要發展方向。
  • 基於DSP的兩相無刷直流電機轉速控制系統
    無刷直流電機採用電子換相裝置，沒有機械電刷；採用永磁體轉子，沒有激磁損耗；發熱的電樞繞組置於外圍的定子上，散熱性好，效率高，過載能力強，無換相火花，在高轉速領域尤為適合，是高速電機的一個重點發展方向。 目前，在一些特殊領域，對電機體積、連線數目以及可靠性等方面有著嚴格要求，在這些場合，無位置傳感器無刷直流電機(BLDCM)就成了理想的選擇。課題利用DSP，CPLD等數位化設計技術構建了一個體積較小的高轉速、高可靠性電機轉速控制系統。
  • 空心杯電機與直流無刷電機的區別
    打開APP 空心杯電機與直流無刷電機的區別 發表於 2019-09-20 11:28:50 　　基於空心杯電機的這些特性，它現在已經被廣泛的應用於日常行業，比如美容業、保健品行業，醫療保險等行業等，甚至日常的生活都離不開它的影子，著實為人民的生活帶來了方便和快捷。
  • 關於直流無刷電機的介紹和應用
    知識點2 而被廣泛運用的直流無刷電機是在直流電機基礎上發展出來的，在傳統直流電機基礎上發展起來的永磁無刷直流電機，在結構上兩者基本一致直流無刷電機是一種高性能的電動機，它的最大的特點就是直流電動機的外特性而沒有刷組成的機械接觸的結構，它採用了永磁體轉子，沒有勵磁的損耗，發熱的電樞繞組又裝在外面的定子上，散熱容易。 兩者之間的區別如下： 1.控制精度不同 基於驅動的原理不一樣，所以一般直流無刷電機用於控制精度要求不高的地方，步進電機就用於控制精度要求比較高的地方。
  • 用於Quad-rotor飛行器的無刷直流電機驅動系統整體設計
    本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/163737.htm無刷直流電機是集交流電機和直流電機優點於一體的機電一體化產品，既具有交流電機結構簡單、運行可靠等優點，又具備直流電機運行效率高、調速性能好等特點。