摘要：跟着科技的展开，对无刷直流电动机的功用提出更高的要求。本文在研讨无刷直流电动机数学模型、导通方法的基础上，以单片机PIC16F877A为中心规划操控体系硬件电路和软件程序，硬件电路包含电机转子方位检测电路、PIC16F877A最小体系、转子方位检测电路、IGBT驱动维护电路和体系信息反应电路，并使用MPLAB软件编译渠道编写操控体系软件程序。经过对实验成果的剖析：可知本文所规划的操控体系功用牢靠、结构简略，可以完结对无刷直流电机的牢靠操控。
电动机是将电能转换为机械能的常用设备，依照作业原理将电动机分为直流电动机和沟通电动机。直流电动机具有滑润安稳的调速特性和优秀的发动功用，所以在需求频频发动和速度改变要求较高的场合如机床、风力发电机、轨迹列车、和轧钢场等设备上有广泛使用。但传统直流电机转子换相进程依托电刷和换向器直接的合作，换相进程会发生火花和电磁搅扰，对周围电气设备的电磁兼容形成很大影响，一起，电刷归于易耗器材，需求定时查看和替换，耗费许多人力资源和原资料的糟蹋。为了处理上述问题，许多专家、学者对无刷直流电机展开许多研讨作业。
无刷直流电动机作为机电一体化的典型产品，具有传统直流电动机的调速特性好、运转安稳，又具有沟通电动机结构简略、便于维护的长处，所以在部分范畴得到开端使用。稀土资料的展开使得无刷直流电动机得到进一步的展开，但选用稀土资料制成的无刷直流电动机本钱过高，仅使用在航空、航天和军用等高科技范畴。20世纪80年代钕铁硼永磁资料呈现后，大大下降了无刷直流电动机的本钱，为无刷直流电动机其在民用范畴的使用供给或许，从几十瓦至上百瓦的无刷直流电动机在轿车、机床、仪器仪表和石化化工等等民用范畴初显身手。
随之电力电子技能和现代操控理论的快速展开，使得电动机技能取得跨越性的改变，电机制造工艺和操控理论不断老练，关于无刷直流电动机操控技能研讨是当今高校和科研单位研讨的热门。本文在对无刷直流电机数学模型、运转进程和主回路导通方法研讨的基础上，依据PIC16F877A规划了无刷直流电机操控体系，首要包含PIC16F877A最小体系、转子方位检测电路、IGBT驱动维护电路和体系信息反应电路，并使用MPLAB软件编译渠道编写操控体系软件程序。
1 无刷直流电动机
1.1 永磁无刷直流电机
永磁无刷直流电动机使用电与磁之问的联系，在电动机转子上装有永磁资料，定子上环绕三相线圈，线圈通电时发生电磁场，电磁场和永磁体磁场之间相互作用使电机旋转，随之转子的旋转三相绕组线圈换相，为电动机旋转供给继续转矩。永磁体采纳径向充磁的瓦形稀土永磁体。电动机定子三相绕组选用星型衔接方法，处理器检测转子的方位，定子依据微处理器发送的信号进行换相，确保电机继续旋转。
1.2 无刷直流电动机数学模型
剖析时对抱负的永磁无刷直流电动机作如下假定：
1)电动机定子三相绕相之间彻底对称，气隙磁场为方波，定子电流和转子磁场散布的磁场为对称方波。
2)疏忽电动机齿槽、换相进程和电枢反响等形成的影响。
3)电枢绕组在定子的内表面上的散布方法为接连均匀的。
4)电动机定子电流为三相对称1 200(电视点)的矩形波，定子绕组为600相宽的会集整矩绕组。
为了减小转矩发生纹波，永磁无刷直流电动机的气隙磁密波形应该和供电电流的波形相同。在抱负状态下，矩形波定子电流和相同波形的气隙磁通相互作用，两者相结合发生安稳的电磁转矩。
1.2.1 电压方程
依据电动机电压平衡方程
式中，U表明三相绕组中的电压，r表明每相绕组的电阻值，i表明运转时每相绕组中的电流，L表明每相运转电感，E表明每相反电动势。有公式(1)可得运转时的无刷直流电动机电压方程：
1.2.2 转矩方程
在电磁转矩上无刷直流电机和一般直流电机类似，电磁转矩和磁通、电流幅值成正比改变，即：
Te=Pn(eaia+ebib+ecic)/ωr (6)
其间，Te为电动机的额外转矩，Pn为电动机的极对数;ωr为电动机的角速度;ia、ib、ic是A相、B相、C相相电流;ea、eb、ec为A相、B相、C相每相的反电势。无刷直流电动机(疏忽滚动时的粘滞系数)的方程可写为：
其间，Te为额外转矩，TL为负载转矩，J为电机转轴上的滚动惯量的总和。ω为机械角速度。
1.3 主回路导通方法
三相半控和三相全控是无刷直流电机操控体系主回路操控方法的根本类型，无刷直流电机示意图如图1所示。三相半控电路选用3个功率器材操控绕组的导通方法，每个绕组由一个功率开关操控，一个周期只要1/3时间导通，别的2/3时间不通电，绕组没有得到充沛的使用。三相全控电路选用6个功率器材操控绕组的导通方法，同一时间至少有两相绕组导通，绕组得到充沛使用，所以咱们选用三相全控式电路。
在三相无刷直流电机全控式操控体系中，绕组导通方法常见的有两两导通方法和三三导通方法。选用在两两导通方法时，每个时间都有不同桥臂的两个功率器材导通，界说流人绕组的电流发生的力矩方向为正Ta，则流出(另一个绕组)电流发生的力矩方向为负Ta，则它们的组成力矩为3Ta，如图2(a)所示。
选用在三三导通方法时，每个时间都有不同桥臂的3个功率器材导通，相邻两次换相的电视点为600，功率器材导通的电视点为1 800。假如确认流入绕组的电流发生的力矩方向为正Ta，则流出(另一个绕组)电流发生的力矩方向为负Ta，则它们的组成力矩为1.5Ta，如图2(b)所示。
从上面的剖析可以看出，关于三相Y接高压断路器无刷直流电机，为了取得较大的输出力矩，主回路通电方法选用两两导通方法更适合。
2 体系的硬件规划
2.1 硬件的结构
依据PIC16F877A的无刷直流电机操控体系硬件框图如图3所示，操控体系分为单片机最小体系、操控电路和操控方针三部分，其间单片机最小体系是指以PIC16F877A为中心包含电源模块、晶振\复位模块和外部扩展模块，操控电路包含光耦阻隔电路、驱动\逆变电路、电流检测电路、转子方位检测和驱动维护电路，操控方针为永磁无刷直流电动机。PIC单片机最小体系为单片机供给作业所需的电源、时钟信号、复位信号、和存储器扩展。操控电路操控电动机绕组在适宜的方位换相、驱动电动机继续运转，一起检测体系参数，确保体系牢靠安稳运转。
2.2 转子方位检测电路规划
霍尔传感器的作业原理是半导体器材的霍尔效应，是无刷直流电机换相操控中使用较多的方位传感器。依据霍尔元件的特性不同分为线性霍尔元件和开关型霍尔元件，线性霍尔元件输出时一个和磁场成正比的接连信号，常用于接连量如位移等的丈量，开关型霍尔元件的输出时一个依据磁场强弱而改变的凹凸电平信号，常用作无刷直流电机的方位传感器。依据操控体系实时性要求及装置便利，本操控器选用锁存型霍尔元件作为电机转子方位传感器。
依据电机内部电磁场散布，将3个霍尔传感器装置在霍尔盘上，相邻两个之间的夹角为60°。因为在电机内部不易装置霍尔盘及拆开不便利，故将其装置在电机的外部，制造一个圆形磁钢模仿电机内部电磁场散布，霍尔元件的空间散布和输出特性如图4所示。当操控体系作业时，霍尔元件依据磁钢的方位输出凹凸电平，主操控芯片依据凹凸电平信号判别电机转子方位，调用内部程序输出正确的驱动信号，使电机开端动作。随之电机转角的改变，霍尔元件的输出也发生改变，主控芯片依据霍尔元件的凹凸电平来确认IGBT的导通次序，使电机继续旋转。
2.3 IGBT驱动维护电路规划
依据体系需求，规划IGBT阻隔驱动电路是功率驱动电路的要害。VLA517—01R是代替EXB841的快速型IGBT集成驱动芯片，整个电路延迟时间不超越1μs，最高作业频率达40～50 kHz，只需外部一个20 V电源供电，内部可发生一个正驱动电压及反向截止电压，模块内部含有过流维护和毛病信号输出电路。EXB841输入端15和14管脚有10 mA的电流流过期，内部光耦导通，3脚输出驱动电压使IGBT导通，驱动信号截止，光耦截止，3脚输出反向电压使IGBT截止。本文所规划的IGBT驱动维护电路如图5所示。
3 软件规划
PIC单片机仿真器供给存储器和时钟，并能运转代码，即便没有与方针使用板相连。在开发和调试期间，ICE供给了最强壮的才能来发挥体系的一切功用，这样答使用户对使用便利地进行测验、调试和再编程。操控器硬件电路规划完结今后，接下来是软件编制造业。在软件规划进程中，一般首要依据实践情况理清程序的运转进程，在结合硬件电路的特色规划出软件的流程图。在详细程序规划中，一般先把要用到的中止进行界说和把变量界说到RAM中等，然后界说各个子函数，再编写各个子函数，最终进行调试。
软件程序是体系的魂灵，本文所规划的操控体系软件程序由体系主程序、中止服务子程序、速度检测子程序和毛病维护子程序组成。主程序中设定了体系的中止信号由PIC单片机的事情管理器T2定时器的周期中止来触发，当T2周期匹配时，调用中止服务子程序，经过速度检测子程序将检丈量作为反应值与设定的速度值比较，调理PWM的占空比，完结电机速度的调理。毛病维护子程序检测体系的电压、电流和温度，与给定安全值进行比较，当发成毛病时，宣布过错警报并封闭操控信号输出，完结对操控体系的维护主程序、中止服务子程序和毛病维护子程序如图6～8所示。
4 操控体系与电机实验
将规划好的体系与电机联机实验，电机的额外功率为900 W，额外电压为150 V，额外负载为4.31 N·m。经过示波器TDS1012调查发现实践运转状态下的霍尔反应信号和理论剖析成果彻底一致，操控器的三路霍尔方位信号为空间上相差1200电视点的矩形波。实验进程别离丈量负载转矩为0N·m、2.2 N·m和4.4 N·m时电机电流，如图9所示。从图可知：电机的电流曲线近似于正玄波，本文所规划的操控体系可以在不同负载情况下驱动无刷直流电动机动作，体系牢靠性强、安稳功用好。
5 定论
文中以PIC16F877A单片机为中心规划了无刷直流电动机操控体系，包含P%&&&&&%16F877A最小体系、转子方位检测电路、IGBT驱动维护电路和体系信息反应电路等，并编写操控体系软件流程。经过实验验证本文所规划的操控体系可以牢靠驱动无刷直流电机牢靠运转。
