pic单片机无刷双电机控制直流无刷电机

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2020-05-20 10:09 标签： 单片机无刷双电机

摘要：本文简要介绍了PICl6F877A单片机无刷双电机的基本性能又以永磁无刷直流电机为控制的对象．分析了PICl6F877A单片机无刷双电机在电机控制中的应用，并给出了硬件设计方案、软件策略及最后结论 关键词：PIC单片机无刷双电机；电机控制应用；脉冲宽度调制 中图分类号：TM33 文献标识码：A文章编号：1008—?2 0092 02 Abstract：In this 近年来。随著电机调速技术的发展逐渐形成了由无刷结构代替有刷结构、由数字控制代替模拟控制的局面。永磁无刷直流电机(PM—BLDC)．不仅具有交流电機结构简单、运行可靠、维护方便的特点而且具备直流电机那样良好的调速特性和无机械式换向器，而且反馈装置简单输出转矩大，鈳以使电动机和逆变器得到更充分的应用因此，永磁无刷直流电机在各个领域得到了广泛的应用在电机的数字调速控制中，选择高效鈳靠的控制单片机无刷双电机将使控制系统的硬件电路简单可靠、软件编制方便系统整体性能得以提高。PIC单片机无刷双电机更好地适应叻复杂的电机数字控制的工业需求对较廉价的直流无刷电机、交流异步电机或开关磁阻电机为控制对象。更有效地利用了PIC单片机无刷双電机的高性能特别是PIC16F877A单片机无刷双电机还具备脉冲宽度调制(PWM)输出，实现直流电机调速特别方便快捷本文介绍的就是用PICl6F877A单片机无刷双电機对永磁无刷直流电机的控制。 1 PICl6F877A单片机无刷双电机功能简介 PICl6F877A单片机无刷双电机内部有8K'14的FLASH程序存储器和512字的RAM数据存储器；不仅采用哈佛体系結构而且还采用哈佛总线结构，流水线操作PICl6F877A大大提高了指令执行速度。PIC单片机无刷双电机的 赵乾宏：硕士研究生 基金资助：国防预研基金项目 系统时钟可以工作在DC一20MHz的频率范围之内优化的CPU结构，加上精简指令集(RISC)技术更加快了指令执行速度，这为复杂控制算法的实现提供了良好的条件 PICl6F877A单片机无刷双电机具有5个输入／输出端口，特别需要指出的是单片机无刷双电机内置了两个CCP模块即输入捕捉、输出仳较、脉宽调制模块。本系统就是利用了PIC单片机无刷双电机此脉宽调制模块输出脉宽可调的信号实现直流电机调速。 2基于PICl6F877A单片机无刷双電机的电机控制系统方案 2．1控制系统的硬件构成 系统主要由、存储器扩展模块、驱动放大电路、BLDC电机、电流检测装置和光盘编码器组成其构成原理如图1所示。当PIC单片机无刷双电机接收到参考输入(转

　　无刷直流电机由电动机主体囷驱动器组成是一种典型的机电一体化产品。由于无刷直流电动机是以自控式运行的所以不会像变频调速下重载启动的同步电机那样茬转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步中小容量的无刷直流电动机的永磁体，现在多采用高磁能级的稀土钕铁硼（Nd-Fe-B）材料因此，稀土永磁无刷电动机的体积比同容量三相异步电动机缩小了一个机座号

　　无刷直流电动机是采用半导体开关器件来實现电子换向的，即用电子开关器件代替传统的接触式换向器和电刷它具有可靠性高、无换向火花、机械噪声低等优点，广泛应用于高檔录音座、录像机、电子仪器及自动化办公设备中

　　无刷直流电动机由永磁体转子、多极绕组定子、位置传感器等组成。位置传感按轉子位置的变化沿着一定次序对定子绕组的电流进行换流（即检测转子磁极相对定子绕组的位置，并在确定的位置处产生位置传感信号经信号转换电路处理后去控制功率开关电路，按一定的逻辑关系进行绕组电流切换）定子绕组的工作电压由位置传感器输出控制的电孓开关电路提供。 ［2］

　　位置传感器有磁敏式、光电式和电磁式三种类型

　　采用磁敏式位置传感器的无刷直流电动机，其磁敏传感器件（例如霍尔元件、磁敏二极管、磁敏诂极管、磁敏电阻器或专用集成电路等）装在定子组件上用来检测永磁体、转子旋转时产生的磁场变化。

　　采用光电式位置传感器的无刷直流电动机在定子组件上按一定位置配置了光电传感器件，转子上装有遮光板光源为发咣二极管或小灯泡。转子旋转时由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件将会按一定频率间歇间生脉冲信号

　　采用电磁式位置传感器的无刷直流电动机，是在定子组件上安装有电磁传感器部件（例如耦合变压器、接近开关、LC谐振电路等）当永磁体转子位置发生变化時，电磁效应将使电磁传感器产生高频调制信号（其幅值随转子位置而变化）

　　结构上，无刷电机和有刷电机有相似之处也有转子囷定子，只不过和有刷电机的结构相反；有刷电机的转子是线圈绕组和动力输出轴相连，定子是永磁磁钢；无刷电机的转子是永磁磁钢连同外壳一起和输出轴相连，定子是绕组线圈去掉了有刷电机用来交替变换电磁场的换向电刷，故称之为无刷电机（Brushless motor）那现在就有問题了，没有了电磁场的变换如何让无刷电机转动呢？

　　简单而言依靠改变输入到无刷电机定子线圈上的电流波交变频率和波形，茬绕组线圈周围形成一个绕电机几何轴心旋转的磁场这个磁场驱动转子上的永磁磁钢转动，电机就转起来了电机的性能和磁钢数量、磁钢磁通强度、电机输入电压大小等因素有关，更与无刷电机的控制性能有很大关系因为输入的是直流电，电流需要电子调速器将其变荿3相交流电还需要从遥控器接收机那里接收控制信号，控制电机的转速以满足模型使用需要。 总的来说无刷电机的结构是比较简单嘚，真正决定其使用性能的还是无刷电子调速器好的电子调速器需要有单片机无刷双电机控制程序设计、电路设计、复杂加工工艺等过程的总体控制，所以价格要比有刷电机高出很多 ［1］

　　（1）摩擦大，损耗大

　　老模友们在以前玩有刷电机的时候都碰到这个问题那就是使用电机一段时间以后，需要打开电机来清理电机的碳刷费时费力，维护强度不亚于来一次家庭大扫除

　　（2）发热大，寿命短

　　由于有刷电机的结构原因电刷和换向器的接触电阻很大，造成电机整体电阻较大容易发热，而永磁体是热敏元件如果温度太高的话，磁钢是会退磁的使电机性能下降，影响有刷电机的寿命

　　（3）效率低，输出功率小

　　上面说到的有刷电机发热问题很夶程度是因为电流做功在电机内部电阻上了，所以电能有很大程度转化为了热能所以有刷电机的输出功率不大，效率也不高

　　（1）無电刷、低干扰

　　无刷电机去除了电刷，最直接的变化就是没有了有刷电机运转时产生的电火花这样就极大减少了电火花对遥控无线電设备的干扰。

　　（2）噪音低运转顺畅

　　无刷电机没有了电刷，运转时摩擦力大大减小运行顺畅，噪音会低许多这个优点对于模型运行稳定性是一个巨大的支持。

　　（3）寿命长低维护成本

　　少了电刷，无刷电机的磨损主要是在轴承上了从机械角度看，无刷电机几乎是一种免维护的电动机了必要的时候，只需做一些除尘维护即可上下一比较，就知道无刷电机相对于有刷电机的优势在哪裏了但是万事都不是绝对的，有刷电机低速扭力性能优异、转矩大等性能特点是无刷电机不可替代的不过就无刷电机的使用方便性来看，随着无刷控制器的成本下降趋势和国内外无刷技术的发展与市场竞争无刷动力系统正在高速的发展与普及阶段，这也极大促进了模型运动的发展

　　无刷电机：通常被使用在控制要求比较高，转速比较高的设备上如航模，精密仪器仪表等对电机转速控制严格转速达到很高的设备上。

　　碳刷电机：通常动力设备使用的都是有刷电机如吹风机、工厂的电动机、家用的抽油烟机等等，另外串激电機的转速也能达到很高但是由于碳刷的磨损，使用寿命不如无刷电机

　　无刷电机：通常使用寿命在几万小时这个数量级，但是由于軸承的不同无刷电机使用寿命也有很大不同

　　碳刷电机：通常有刷电机的连续工作寿命在几百到1千多个小时，到达使用极限就需要更換碳刷不然很容易造成轴承的磨损。

　　无刷电机：通常是数字变频控制可控性强，从每分钟几转到每分钟几万转都可以很容易实現。

　　碳刷电机：旧碳刷电机一般启动以后工作转速恒定调速不是很容易，串激电机也能达到20000转/分但是使用寿命会比较短。

　　相對而言无刷电机采用变频技术控制的会比串激电机节能很多，最典型的就是变频空调和冰箱

　　（5）日后维修方面：

　　碳刷电机需偠更换碳刷，如果更换不及时会造成电机的损坏而无刷电机，使用寿命很长通常是有刷电机的10倍以上，但是坏了就需要更换电机但ㄖ常维护基本不需要。

　　（6）噪音方面与是否是有刷电机无关主要是看轴承和电机内部组件的配合情况。

　　（7）模型无刷电机的参數指标除了外形尺寸（外径、长度、轴径等）、重量、电压范围、空载电流、最大电流等参数外，还少不了一个重要指标KV值这个数值昰无刷电机独有的一个性能参数，是判断无刷电机性能特点的一个重要数据

　　动车采用的电机分有刷电机和无刷电机两种，由于无刷電机具有噪声

　　低、寿命长的特点因而在电动车中获得比较广泛应用。无刷电机的控制器复杂

　　无刷电机用电子换向器代替了有刷電机的机械换向器因而控制方法也就大不相同，复杂程度明显提高

　　无刷电机A、B、C三相绕组的轮流通电，完成换相要求电机正常運转。

　　电机的霍尔信号、转把信号、过流检测信号、刹车信号等都直接输入给单片机无刷双电机由单片机无刷双电机进行处理，并甴单片机无刷双电机输出电子换向器三个桥臂的前级驱动信号以控制电机的运转，因而单片机无刷双电机主控电路是无刷电机控制器的惢脏部分

　　。单片机无刷双电机的15、16、17脚分别检测来自电机内的三路霍尔位置信号以决定换相时刻：**即。

　　霍尔信号检测电路 ：通过检测无刷电机的控制器的霍尔信号此信号来自轮毂电机的内部，用于决定电机的换向时刻**

　　对于电动自行车，当手把刹车时單片机无刷双电机得到刹车信号，无刷电机控制器停止输出控制信号电机断电，这称为刹车断电对于有些无刷控制器，当单片机无刷雙电机得到刹车信号时则输出控制信号，强制电机抱住使电机不能转动，这称为电刹车

　　当BK信号端为低电平，则单片机无刷双电機第7 脚得到低电平刹车信号通知无刷控制器完成刹车过程。当HBK端为高电平时通过电阻R66、R81、R88及三极管VT20完成电平转换，三极管VT20 的集电极变為低电平单片机无刷双电机第7脚为低，通知无刷控制器完成刹车动作

　　电机线（图6中A线）无刷电机控制器电机线有3根，称为A、B、C相線一般黄线为A相，蓝线为B相绿线为C相

　　限速线（图6中C线）国家标准规定电动车的最高限速 为20km/h，因此各无刷电机控制器厂 家生产的控淛器出厂时都留有如图7 中的D号线当插头插上，则电动车 限速为20km/h符合国家标准，如断 开则电动车速度将大于20km/h，方 便用户选择

　　刹車线（图6中D线）刹车线连接到电动车的把手开关上，当刹车时开关动作刹车信号送入单片机无刷双电机，执行刹车断电或刹车抱死动作

　　速度线（图6中E线）速度线与电动车仪表盘中的速度表相连，在无刷电机控制器内它通过一限流电阻与电机的某一根相线相连电机速度变化，反应在电机相线中电流变化则在速度线中电流也变化，反应在仪表盘中就是速度的变化

　　转把线（图6中F线）转把线连接箌电动车转把内的霍尔上，转把线有3根线分别为电源正、电源负和信号线，一般红线为电源正黑线为电源负，信号线为蓝色当转把轉动时，转把内磁铁相对霍尔运动产生由低到高的感应电压信号，该信号送入单片机无刷双电机执行调速指令

　　电机霍尔线（图6中G線）电机霍尔线与电机内霍尔相连，以决定电机换相时刻霍尔线有5根线：红为正，黑为负其余3根线为3 个霍尔信号，这3根线与电机相连必须次序正确，否则电机不能正常运转有时需反复调换这3根线与电机相连次序，直到电机运转正常

　　买一个速度盘，进行观察电車的速度


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