近年来, 随着电力电子器件及控制理论的迅速发展, 无传感器直流无刷电机以其体积小、效率高, 良好的调速性, 易于维护、成本低、可靠性高等优点得到了广泛的应用。在控制器件方面, 通常可以采用专用电机控制芯片、MCU或DSP。专用电机控制芯片成本低, 但应用灵活性差。大多无传感器直流无刷电机的控制是基于MCU和DSP的, 以满足不同控制的灵活性。但DSP器件价格较高, 在中小功率的无传感器直流无刷电机的控制中大多选用电机控制用MCU, ATmega88, 其片内有多路ADC和模拟电压比较器, 计数器及PWM输出功能, 能简化外围电路设计。
ATmega88是基于AVR增强型RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间, ATmega88的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz, 从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。
无刷无传感器直流电机转子位置的确定是非常重要的。如果控制转子位置失败, 将会引起烧毁电路。目前, 无传感器检测方式主要有反电动势检测法、续流二极管检测法、定子三次谐波检测法、瞬时电压方程检测法等。其中反电动势检测法实现简单, 对控制器的要求较低。在实践应用中无传感器直流无刷电机的调速主要是基于反电势 (BEMF) 的过零判断以实现电子换相, 方法有多种, 如1/2母线电压比较法、虚拟中点法、端电压比较法等, 这些方法各有所长。但ATmega88不适宜做大量计算。实际中常采用1/2母线电压比较法或虚拟中点法实现换相。
控制中需要解决的另一个重要问题是无传感器直流无刷电机的启动。在静止或低速状态下反电势值为0或很小, 无法用反电势法来判定转子的位置, 通常采用转子定位, 步进起动和自由切换三段式起动方式来解决这个问题。
系统硬件电路, 主要由单片机电路, 半桥驱动电路, 3相MOSFET换相电路, 过流检测电路, 由虚拟中心点和电阻分压网络以及单片机内的比较器构成的过零点检测电路, 电源电路组成。过零点检测电路检测到过零信号, 由软件计算出延迟时间, 并在延迟时间到后发出换相脉冲信号, 经驱动电路转换为驱动信号去驱动各功率管, 这样就实现了单片机对直流无刷电机的控制。此方案的特点是充分利用了单片机片内的多路模拟电压比较器实现过零检测, 简化了外围电路设计, 降低了系统硬件成本;且采用了虚拟中心点法, 改进了1/2母线电压比较法在过零判断时, 容易受到三相绕组特性不一致和母线电压影响的缺陷。另外, 本设计电路上还有一定的高温, 过压和欠压保护功能。
系统软件大致由几个模块组成, 包括初始化模块, PWM中断模块, 比较中断模块, 保护模块。初始化模块主要完成程序所用变量的初始化, PWM中断初始化, 比较中断初始化, 发初始定位脉冲;比较中断完成反电势过零点的捕捉及换相周期的确定;保护模块主要用来采集过压和过流信号, 以及判定和处理故障。换相时刻的准确性和相位跟踪的快速性对电机控制的性能影响极大, 准确换相点每次都在该相不激励绕组的反电势过零后30°位置, 由于电机的运行是变速运行, 换相周期也是变化的, 所以实际中并不能准确确定延迟30°电角度的换相时间, 只能根据前若干个换相周期的变化趋势, 对该次换相时刻进行合理有效的滤波和预估, 有数字滤波和锁相跟踪两种方式。PWM中断模块实现了无刷电机的步进起动, 自由切换运行。
软件仿真调试方法如下:
(1) 观察DAC0的窗口, 改变DAC0的数值观察电机转速的变化。
(2) 使用示波器观察CKMOT的频率计算出电机的转速与七段数码管显示的数值比较, 比较速度测量的准确性。
(3) 改变常量SetSpeed的值 (转速的预设值) , 观察速度稳定后七段数码管的数值。
(4) 可将断点设在外部中断INT0的入口和T0中断的入口运行程序观察程序运行是否正常。
实验测量的波形包括换相输出波形、反电动势输入波形、功率管栅极驱动波形以及反电势过零检测电路的输出波形。以上给出实验波形为电机转速1800r/min, 开环、空载和带负载时的相关实验波形。从实验波形可以看出:在以“两相导通三相六拍”方式运行的无刷直流电机通以方波电流驱动时, 电机的反电动势波形为梯形波, 电机两相的反电动势波形相位互差约1200, 与理论分析基本吻合。反电动势波形中不仅包含反电动势信号, 而且包含斩波信号, 反电势过零检测电路输出的转子位置信号波形清晰, 虽有部分干扰信号, 但都是在不需要进行检测反电动势的尖脉冲, 并且在带负载和不带负载时的情况势相似的, 这说明了反电势过零检测电路中的滤波电路设计是成功的。
由于ATmega88的高集成度, 因此只需少量外围电路。另外, ATmega88内核与普通51系列兼容, 且指令简单易学, 可缩短系统开发周期。实践证明, 本控制系统精度高, 稳定性好, 硬件简单且工作可靠, 具有很好的推广价值。
摘要：无刷无传感器直流电机的控制是电机控制领域的重要发展方向, 本文介绍了ATmega88单片机在无刷无传感器直流电机转速控制中的应用、实现方法、硬件结构及软件结构。
关键词：直流无刷电机控制,Atmega88,转速控制
[1] 李智, 刘锡成.BLDCM位置伺服系统的模糊滑模控制, 航空计算技术, 2005
[2] 吴筱辉1, 程小华1, 刘杰2, 反电势法检测转子位置的直流无刷电机系统起动方法《中小型电机》2005, 32 (5)
[3] 孟朝霞, 牛百齐, 无刷直流电机无位置传感器控制系统.机电工程, 2005年第22卷第6期
[4] 沈建新, 吕晓春, 无传感器无刷直流电机三段式起动技术的深入分析[J].微特电机, 1998, (5)
[5] 吴素平, 罗隆福, 基于S3C2410A的无刷直流电动机的无位置传感器控制技术[J].机车电传动, 2004, (1)
[6] 王冉冉, 刘玉庆, 无位置传感器无刷直流电机起动的比较与研究[J].微电机, 2003, (1)
[7] 邹继斌, 张豫, 无位置传感器无刷直流电机驱动电路的研究[J].微电机, 1999, (2)
推荐阅读：
88镇领导班子整改落实方案05-28
广西生态文明与可持续发展考试88分06-23
基于Matpower的电力系统潮流计算06-28
基于hadoop分析实现05-25
基于主题的情感分析06-24
基于dm广告的研究06-01
基于zigbee的课程设计06-15
