摘要：本文首先介紹了三相無(wú)刷直流電機(jī)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展及其控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，論述了三相永磁無(wú)刷直流電機(jī)的構(gòu)成、運(yùn)行原理、特性分析和其轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的檢測(cè)方法;然后設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的硬件電路及相應(yīng)軟件。
關(guān)鍵詞：三相無(wú)刷直流電機(jī)；Atmega8L單片機(jī)； PID閉環(huán)控制

Abstract： The paper firstly introduced the study status of permanent magnet brushless DCmotor in home and abroad, and then discussed its structure, operation principles,characteristics as well as its rotor position signal detection methods; secondly,designed the control system‘s hardware and software accordingly。
Keywords：Three phase BLDC motor；Atmega8L micro-c； PID closed-loop control

1引言
      無(wú)刷直流電機(jī)是近幾年來(lái)小電機(jī)行業(yè)發(fā)展最快的品種之一，隨著視聽產(chǎn)品小、輕、薄化和家電產(chǎn)品的靜音節(jié)能化以及豪華型轎車需求量增多，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)需要量迅速增加；無(wú)刷直流電機(jī)用電子換向替代了電刷和換向器，具有高可靠、高效率、壽命長(zhǎng)、調(diào)速方便、低噪音等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)近年來(lái)在無(wú)刷直流電機(jī)的設(shè)計(jì)及控制方面有很多的研究，但與國(guó)外成熟的產(chǎn)品相比還有很多地方值得提高，并且很多無(wú)刷直流電機(jī)生產(chǎn)商都沒(méi)有給出具體的控制方案，因此在無(wú)刷直流電機(jī)控制方面的研究是非常有必要的[1]。
      由于無(wú)刷直流電機(jī)具有體積小、重量輕、效率高、調(diào)速性能好、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、沒(méi)有勵(lì)磁損耗等問(wèn)題，因此在各個(gè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。一方面，無(wú)刷直流電機(jī)與其他異步電機(jī)相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)如反饋裝置更簡(jiǎn)單、功率密度更高、輸出轉(zhuǎn)矩更大、并且電機(jī)和逆變器各自的潛力得到充分的發(fā)揮，因此無(wú)刷直流電機(jī)的應(yīng)用和研究得到了前所未有的重視[2]。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)統(tǒng)計(jì)表明無(wú)刷直流電機(jī)的使用每年以較高比例增長(zhǎng)。另一方面無(wú)刷直流電機(jī)與有刷直流電機(jī)相比有更多的優(yōu)點(diǎn)如電機(jī)本體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行時(shí)無(wú)火花、電磁干擾小，無(wú)噪聲等，因此具備廣泛應(yīng)用前景。
2. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    2.1三相無(wú)刷直流電機(jī)硬件總體構(gòu)架
      本控制系統(tǒng)硬件主要由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、顯示電路、RS485接口電路組成，如圖2-

      由永磁無(wú)刷直流電機(jī)運(yùn)行原理可以知道，永磁無(wú)刷直流電機(jī)的平均工作電流與轉(zhuǎn)速成反比例函數(shù)關(guān)系，且空調(diào)電機(jī)帶的風(fēng)葉負(fù)載是恒定，也即轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系，因此控制無(wú)刷直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也可以通過(guò)控制轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)[3]。本系統(tǒng)是速度閉環(huán)系統(tǒng)?；魻栁恢脗鞲衅鞯奈恢眯盘?hào)經(jīng)信號(hào)處理后送專用驅(qū)動(dòng)芯片后產(chǎn)生一個(gè)速度脈沖信號(hào)經(jīng)單片機(jī)處理轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速，再運(yùn)用增量式PI算法，得到PWM控制信號(hào)經(jīng)過(guò)光禍隔離電路驅(qū)動(dòng)專用集成驅(qū)動(dòng)芯片閉環(huán)控制轉(zhuǎn)速。同時(shí)，單片機(jī)還監(jiān)控控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)短路、過(guò)流、過(guò)壓等故障時(shí)，單片機(jī)將封鎖PWM輸出信號(hào)，使電機(jī)停機(jī)，并通過(guò)LED電路顯示故障。由于客戶對(duì)控制系統(tǒng)的需求不同，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各部分在保持相互獨(dú)立性的同時(shí)，又留好相應(yīng)的接口以便構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)。
    2.2控制電路
      本系統(tǒng)主硬件控制電路由控制由AtmegaBL單片機(jī)、PWM信號(hào)產(chǎn)生及處理電路、電流檢測(cè)電路、轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路、隔離電路及接口電路組成。如圖2-2所示。

      PWM產(chǎn)生了之后還要經(jīng)過(guò)處理才能得到想要輸出的輸出信號(hào)。ATmegaBL產(chǎn)生的PWM信號(hào)通過(guò)光電耦合在P521的3腳產(chǎn)生同周期的PWM信號(hào)經(jīng)分壓濾波之后輸出一個(gè)0到6V的用于驅(qū)動(dòng)電路的調(diào)速電壓，圖中穩(wěn)壓二極管使P521的4腳穩(wěn)到9V, P521的3腳的PWM信號(hào)經(jīng)兩級(jí)RC濾波之后變得平滑，P521起到了主控電路與驅(qū)動(dòng)電路電氣隔離作用。
3. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
      本控制系統(tǒng)利用C語(yǔ)言，采用模塊化、結(jié)構(gòu)化編程。模塊化編程即:將一個(gè)大程序分成若干個(gè)小模塊，各個(gè)模塊保持相對(duì)的獨(dú)立性，模塊之間只靠少量的出之口參數(shù)相聯(lián)系，這樣各個(gè)程序模塊分別設(shè)計(jì)，從而使程序的調(diào)試、修改都變得比較容易;結(jié)構(gòu)化編程即:各個(gè)子程序之間使用良好的轉(zhuǎn)移和調(diào)用，這個(gè)各個(gè)模塊可有效地組合成一個(gè)整體，使流程明確地從一個(gè)程序模塊轉(zhuǎn)移到下一個(gè)程序模塊。
      本控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用前后臺(tái)系統(tǒng)，前后臺(tái)系統(tǒng)即一個(gè)死循環(huán)程序加多個(gè)中斷服務(wù)子程序組，主程序初始之前應(yīng)該先關(guān)所有中斷及看門狗定時(shí)器，以保證初始化時(shí)不受中斷程序及系統(tǒng)復(fù)位成，任務(wù)比較多時(shí)則需要用實(shí)時(shí)打操作系統(tǒng)（RTOS），這樣單片機(jī)的MPU使用率才會(huì)得以提高，各任務(wù)才能實(shí)時(shí)按預(yù)期運(yùn)行。本控制系統(tǒng)軟件包括主程序及中斷服務(wù)程序兩部分。主程序主要由系統(tǒng)初始化、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速計(jì)算及轉(zhuǎn)速PID閉環(huán)控制組成，主程序完成大部分的功能任務(wù);中斷程序主要對(duì)中斷事件進(jìn)行檢測(cè)并通知主程序進(jìn)行相應(yīng)處理、完成必要的實(shí)時(shí)性功能，這樣做的目的是使中斷不占用太多的CPU時(shí)間，使程序各部分功能能夠可靠地運(yùn)行，本控制系統(tǒng)的中斷程序主要用來(lái)串行中斷接收上位機(jī)發(fā)來(lái)的轉(zhuǎn)速設(shè)定值、定時(shí)中斷檢測(cè)電流及顯示轉(zhuǎn)速值及相關(guān)故障。本軟件設(shè)計(jì)的程序如圖3-1所示

      I/0口初始化主要是設(shè)置端口是輸入還是輸出、輸出的初始值、是否要上拉電阻;A/D初始化主要設(shè)置所要AD轉(zhuǎn)換器的通道、模擬參考電壓以及時(shí)鐘頻率;Max7219的初始化主要是對(duì)內(nèi)部亮度、譯碼方式、掃描位數(shù)等寄存器設(shè)置:串口初始化設(shè)置為多機(jī)通信方式、波特率為9600bit/s, 1位起始位、9位數(shù)據(jù)位、1位停止位;AtmegaBL有三個(gè)定時(shí)器，T0, T2為8位，T1為16位[4-5]。本控制系統(tǒng)中TO用于產(chǎn)生定時(shí)2秒定時(shí)中斷信號(hào)，T2用于產(chǎn)生用戶設(shè)定速度相對(duì)應(yīng)的PWM波信號(hào)，Tl用于捕捉FG脈沖信號(hào)，從而計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速。對(duì)上述量設(shè)置完了之后再開中斷及看門狗，以響應(yīng)中斷服務(wù)程序及以防程序跑飛從而復(fù)位重新運(yùn)行。
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