摘要：本文首先介紹了三相無刷直流電機在國內(nèi)外的發(fā)展及其控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，論述了三相永磁無刷直流電機的構(gòu)成、運行原理、特性分析和其轉(zhuǎn)子位置信號的檢測方法;然后設(shè)計了控制系統(tǒng)的硬件電路及相應(yīng)軟件。
關(guān)鍵詞：三相無刷直流電機；Atmega8L單片機； 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
      無刷直流電機是近幾年來小電機行業(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，無刷直流電動機需要量迅速增加；無刷直流電機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、調(diào)速方便、低噪音等優(yōu)點。國內(nèi)近年來在無刷直流電機的設(shè)計及控制方面有很多的研究，但與國外成熟的產(chǎn)品相比還有很多地方值得提高，并且很多無刷直流電機生產(chǎn)商都沒有給出具體的控制方案，因此在無刷直流電機控制方面的研究是非常有必要的[1]。
      由于無刷直流電機具有體積小、重量輕、效率高、調(diào)速性能好、轉(zhuǎn)動慣量小、沒有勵磁損耗等問題，因此在各個領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。一方面，無刷直流電機與其他異步電機相比具有明顯的優(yōu)勢如反饋裝置更簡單、功率密度更高、輸出轉(zhuǎn)矩更大、并且電機和逆變器各自的潛力得到充分的發(fā)揮，因此無刷直流電機的應(yīng)用和研究得到了前所未有的重視[2]。據(jù)資料統(tǒng)計統(tǒng)計表明無刷直流電機的使用每年以較高比例增長。另一方面無刷直流電機與有刷直流電機相比有更多的優(yōu)點如電機本體結(jié)構(gòu)簡單、運行時無火花、電磁干擾小，無噪聲等，因此具備廣泛應(yīng)用前景。
2. 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    2.1三相無刷直流電機硬件總體構(gòu)架
      本控制系統(tǒng)硬件主要由控制電路、驅(qū)動電路、顯示電路、RS485接口電路組成，如圖2-

      由永磁無刷直流電機運行原理可以知道，永磁無刷直流電機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，因此控制無刷直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩也可以通過控制轉(zhuǎn)速來實現(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柦?jīng)信號處理后送專用驅(qū)動芯片后產(chǎn)生一個速度脈沖信號經(jīng)單片機處理轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速，再運用增量式PI算法，得到PWM控制信號經(jīng)過光禍隔離電路驅(qū)動專用集成驅(qū)動芯片閉環(huán)控制轉(zhuǎn)速。同時，單片機還監(jiān)控控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)短路、過流、過壓等故障時，單片機將封鎖PWM輸出信號，使電機停機，并通過LED電路顯示故障。由于客戶對控制系統(tǒng)的需求不同，本系統(tǒng)設(shè)計的各部分在保持相互獨立性的同時，又留好相應(yīng)的接口以便構(gòu)成一個完整的系統(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、PWM信號產(chǎn)生及處理電路、電流檢測電路、轉(zhuǎn)速檢測電路、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)過處理才能得到想要輸出的輸出信號。ATmegaBL產(chǎn)生的PWM信號通過光電耦合在P521的3腳產(chǎn)生同周期的PWM信號經(jīng)分壓濾波之后輸出一個0到6V的用于驅(qū)動電路的調(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信號經(jīng)兩級RC濾波之后變得平滑，P521起到了主控電路與驅(qū)動電路電氣隔離作用。
3. 系統(tǒng)軟件設(shè)計
      本控制系統(tǒng)利用C語言，采用模塊化、結(jié)構(gòu)化編程。模塊化編程即:將一個大程序分成若干個小模塊，各個模塊保持相對的獨立性，模塊之間只靠少量的出之口參數(shù)相聯(lián)系，這樣各個程序模塊分別設(shè)計，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:各個子程序之間使用良好的轉(zhuǎn)移和調(diào)用，這個各個模塊可有效地組合成一個整體，使流程明確地從一個程序模塊轉(zhuǎn)移到下一個程序模塊。
      本控制系統(tǒng)軟件設(shè)計采用前后臺系統(tǒng)，前后臺系統(tǒng)即一個死循環(huán)程序加多個中斷服務(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器，以保證初始化時不受中斷程序及系統(tǒng)復(fù)位成，任務(wù)比較多時則需要用實時打操作系統(tǒng)（RTOS），這樣單片機的MPU使用率才會得以提高，各任務(wù)才能實時按預(yù)期運行。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);中斷程序主要對中斷事件進行檢測并通知主程序進行相應(yīng)處理、完成必要的實時性功能，這樣做的目的是使中斷不占用太多的CPU時間，使程序各部分功能能夠可靠地運行，本控制系統(tǒng)的中斷程序主要用來串行中斷接收上位機發(fā)來的轉(zhuǎn)速設(shè)定值、定時中斷檢測電流及顯示轉(zhuǎn)速值及相關(guān)故障。本軟件設(shè)計的程序如圖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鐘頻率;Max7219的初始化主要是對內(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有三個定時器，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2秒定時中斷信號，T2用于產(chǎn)生用戶設(shè)定速度相對應(yīng)的PWM波信號，Tl用于捕捉FG脈沖信號，從而計算電機轉(zhuǎn)速。對上述量設(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)位重新運行。
參考文獻
[1] 張?。疅o刷直流電動機原理及應(yīng)用（第二版）．北京：機械工業(yè)出版社2004
[2] 鄧星鐘．機電傳動控制．武漢：華中科技大學(xué)出版社2001
[3] 溫照方．電機與控制．北京：北京理工大學(xué)出版社2004
[4] 胡漢才．單片機原理及接口技術(shù)．北京：清華大學(xué)出版社1996
[5] 周謄琴．計算機控制系統(tǒng)。西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社1998