直流无刷电动机的微机控制

    图4-10示出了采用8751单片机来控制直流无刷电动机的原理框图。8751单片机有四个独立控制口，现将其中的P1口置成输出口，同7406反向门电路连接控制直流无刷电动机的换相；P2口置成输入口，用于测量来自转子永久磁铁位置传感器的信号H1、H2、H3；P0口作为输出口，外接一个D/A转换器。图4-10的基本原理及主要作用有如下几点。

    1．换相的控制

    根据定子绕组的换相方式（如采用三三换相或是两两换相等），首先找出三个转子永久磁铁位置传感器信号H1、H2、H3的状态与六只功率管导通之间的关系，以表格形式存放在单片机的EPROM中。表4-4示出了某三相直流无刷电动机采用两两换相方式时位置传感器输出状态同主回路功率管导通之间的对应表。这样一来，8751单片机只需根据来自P2口的H1、H2、H3的状态，从表4-4中查得相对应的导通管，并通过在P1口送出相应的控制字，就可控制直流无刷电动机的换相。

    图4-10    8751单片机控制直流无刷电动机的原理框图

    表4-4    换相表（正转）

    2．起动电流的限制

    从图4-10可知，主回路中通过电动机的电流最终经过电阻R13接地。因此，Uf=R13IM，其大小正比于电动机的电流IM。而Uf同D/A转换器的输出电压Uo分别送到LM324运算放大器的两个输入端，一旦反馈电压Uf大于来自D/A转换器的给定信号Uo，则LM324运算放大器输出为低电平，使得主回路中三只功率管V4、V6和V2无法导通，从而截断了直流无刷电动机定子绕组的所有电流通路，迫使电动机电流下降，一旦电流下降到使Uf小于Uo，则LM324运算放大器的输出回到高电平。主回路的V4、V6和V2又具备导通的能力，其具体通电的次序由P1口控制，于是起到了限制电流的作用。

    3．转速的控制

    上面所述的限流的大小为IM=Uo/R13，因此，在直流无刷电动机正常运行的过程中，只要控制D/A转换器的输出电压Uo，就可控制直流无刷电动机的电流，进而控制电动机的转速。也就是说，8751单片机可通过来自转子位置传感器的信号周期，计算出电动机的转速，并把它同给定转速比较。如高于给定转速，则减少P2口的输出数值，降低电动机的电流，以达到降低其转速的目的；反之，如果测得的转速低于给定转速，则增加P2口的输出数值，进而加大电动机的电流，从而提高其转速。至于采用何种控制方法，可通过软件来实现。

    4．PWM控制的实现

    上述的转速控制也可通过PWM方法来实现。如将图4-10中的7406反相器中的一部分用一个74LS33或非门来代替，并省去了由P2口控制的A/D转换器，如图4-11所示。由图可知，74LS33或非门的一个输入端由P2口中的一位P21控制，当P2口中的P21输出为高电平时，则主电路中的V2、V和V6被封死。当P21输出为低电平时，则主回路中的六只功率管仍然受P1口控制进行电动机的正常换相。因此，只需对P21的输出进行PWM控制，就可以控制直流无刷电动机的转速。还有，如把图4-10中的D/A转换器省去，变成如图4-12所示电路，同样也可以对它进行PWM控制。

    由此可以看出，直流无刷电动机的控制电路中引入了单片机后，就可以很方便地进行换相控制和转速调节。

    图4-11    实现PWM控制的原理图(Ⅰ)

    图4-12    实现PWM控制的原理图(Ⅱ)

    5．正反转的控制

    在一般直流电动机运行过程中，改变磁场方向或改变电枢电压的极性，均可改变电动机转向。但这些方法在直流无刷电动机中行不通。因为直流无刷电动机的磁通由永久磁铁产生，无法改变方向；又由于半导体的单向导电性，电源电压反接很不方便。因此在这种情况下，一般都通过控制定子绕组的换相次序来改变电动机转动方向。具体做法是只需要根据换相控制表（见表4-5）进行控制。这样，单片机采用表4-4来控制换相，电动机正转；而按表4-5来控制换相，则电动机就反转，非常方便。

    表4-5    换相表（反转）

    6．变结构控制的实现

    前面已经指出，直流无刷电动机本体的结构与永磁同步电动机相同，只是没有起动绕组。同步电动机稳速精度高，又是开环控制，操作简单方便。而直流无刷电动机具有起动和调速方便的特点。于是自然而然地联想到采用变结构的控制方法，在同一控制线路中完成上述两种运行方式。这就是说，当电动机处于起动状态或在调整过程中时，采用直流无刷电动机的运行模式，以实现动态响应的快速性，一旦电动机的转速达到给定值附近，马上把它转入同步电动机运行模式，以保证其稳速精度，使其转速的控制精度在开环控制的情况下达到0. 00005以上。变结构控制的框图如图4-13所示。

    事实上，图4-10就可作为上述变结构控制的原理图，所不同的只是它们的控制软件。当电动机处于起动或调速过程时，电动机按直流无刷电动机模式运行，8751通过AD 588 D/A转换器的输出电压Uo限制其起动电流，并通过来自位置传感器的信号周期算出电动机的实际转速，同给定转速相比较。一旦实际转速达到了给定转速，则马上转到同步电动机运行方式，这时计算机只需按一定频率控制同步电动机的换相。图4-10主回路中的六只功率管起着逆变器的作用，即把直流电压变为近似三相正弦波电压供给同步电动机。与此同时，计算机再通过位置传感器的信号周期，来测量同步电动机转速的大小，并判断它是否跌出同步。一旦失步，则马上转到直流无刷电动机运行，并重新将其拉入同步。

    图4-13    直流无刷电动机的变结构控制