基于ATmega48的三相無(wú)刷電機(jī)控制方法

引言
    無(wú)刷直流電機(jī)以其重量輕，體積小，加速性能好，運(yùn)行平穩(wěn)，噪音低等優(yōu)點(diǎn)而廣泛用于丁業(yè)和民用產(chǎn)品中。無(wú)刷直流電機(jī)的功率因數(shù)高，無(wú)轉(zhuǎn)子損耗，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速能?chē)?yán)格地與電源頻率保持同步。轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)由永久磁鐵產(chǎn)生。通常，采用電壓源型脈寬調(diào)制(PWM)控制作為無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)用的驅(qū)動(dòng)器。近年來(lái)，國(guó)外紛紛推出以單片機(jī)(MCU)為核心的單片電機(jī)控制器，它南一個(gè)MCU再配備外圍驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成，能大大降低成本，縮小體積，緊湊結(jié)構(gòu)，提高可靠性。在此，介紹r采用Atmega48單片機(jī)實(shí)現(xiàn)三相無(wú)刷直流電機(jī)控制器的方法。

2 ATmega48單片機(jī)
    ATmega48單片機(jī)是Atmel公司基于自動(dòng)電壓調(diào)整器(Automatic Voltage Regulator，簡(jiǎn)稱(chēng)AVR)增強(qiáng)型精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)(RISC)結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。具有先進(jìn)的指令集及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，其數(shù)據(jù)吞吐率可以達(dá)到1 MIPS/MHz。AVR內(nèi)核具有豐富的指令集和32個(gè)通用工作寄存器。這些寄存器都直接與算術(shù)邏輯單元(ALU)相連接．可在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)通過(guò)一條指令同時(shí)訪問(wèn)兩個(gè)獨(dú)立的寄存器，因此可提高代碼效率。
    ATmega48的硬件資源有：4 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash：256字節(jié)的EEPROM：512字節(jié)的SRAM；23個(gè)通用I／0口線；32個(gè)通用工作寄存器；2個(gè)帶獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器的8位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器；1個(gè)帶預(yù)分頻器、比較器和捕捉功能的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；帶獨(dú)立振蕩器的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器；6個(gè)通道PwM；8路10位A／D轉(zhuǎn)換器；6路10位A／D轉(zhuǎn)換器；可編程的串行USART接口；可工作于主機(jī)／從機(jī)模式的SPI串行接口；面向字節(jié)的2線串行接口；獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門(mén)狗定時(shí)器；片內(nèi)模擬比較器及5種可通過(guò)軟件選擇的省電模式。ATmega48具有豐富的I／0口、A／D轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器／計(jì)數(shù)器、PWM通道等資源，為實(shí)現(xiàn)三相無(wú)刷直流電機(jī)的控制、換相檢測(cè)等提供了方便。

3 三相無(wú)刷電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)方法
    圖1示出采用ATmega48單片機(jī)實(shí)現(xiàn)三相無(wú)刷電機(jī)控制器的原理圖。圖中，PC0、PCI和PC2為輸入，用以接收來(lái)自電機(jī)U，V，W換相的霍爾傳感器檢測(cè)信號(hào)；PD5和PD6用于控制電機(jī)U相的功率驅(qū)動(dòng)器件；PBl和PB2用于控制電機(jī)V相的功率驅(qū)動(dòng)器件；PD3和PB3用于控制電機(jī)W相的功率驅(qū)動(dòng)器件；PC3為電機(jī)給定轉(zhuǎn)速的輸入電壓。

    作為一種同步電機(jī)，直流無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度及轉(zhuǎn)子極數(shù)的影響。當(dāng)轉(zhuǎn)子的極數(shù)固定時(shí)，只要改變定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)頻率，即可改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。直流無(wú)刷電機(jī)是一種控制定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)頻率，并將電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速回饋控制中心進(jìn)行反復(fù)校正．以達(dá)到接近直流電機(jī)的特性。當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，它能在額定負(fù)載范圍內(nèi)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)子維持一定的轉(zhuǎn)速。
    圖2給出用于圖1中的功率驅(qū)動(dòng)電路。該驅(qū)動(dòng)部分由上臂VQl，VQ3，VQ5和下臂VQ2，VQ4，VQ6的6個(gè)功率晶體管組成，用于連接電機(jī)作為控制流經(jīng)電機(jī)繞組的開(kāi)關(guān)?？刂撇糠痔峁㏄WM，用于決定功率晶體管開(kāi)關(guān)頻率及換相的時(shí)刻。在控制直流無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)．通常希望在負(fù)載變化時(shí)也能使電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在設(shè)定值內(nèi)，而不發(fā)生太大的波動(dòng)。因此，在無(wú)刷電機(jī)內(nèi)部設(shè)置霍爾傳感器．以感應(yīng)磁場(chǎng)變化，該傳感器既可作為電機(jī)轉(zhuǎn)速中閉環(huán)控制的速度反饋部件，也可作為相序控制的依據(jù)。

    當(dāng)控制器工作時(shí)，可根據(jù)霍爾傳感器檢測(cè)到電機(jī)轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位置，依照定子繞組決定開(kāi)啟或關(guān)閉功率晶體管的順序，使電流依序流經(jīng)電機(jī)線繞組，以產(chǎn)生順向或逆向的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，并與轉(zhuǎn)子的磁鐵相互作用，使電機(jī)順時(shí)或逆時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到霍爾傳感器檢測(cè)出另一組信號(hào)的位置時(shí)，再開(kāi)啟下一組功率晶體管，如此循環(huán)，電機(jī)就能依據(jù)同一方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，直到控制器決定使電機(jī)轉(zhuǎn)子停止時(shí)，則關(guān)閉功率晶體管；決定使電機(jī)轉(zhuǎn)子反向時(shí)，則開(kāi)啟功率晶體管，但順序相反。PWM是決定電機(jī)轉(zhuǎn)速快或慢的方式，如何產(chǎn)生PWM是實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控制速度的核心。
    圖2中的開(kāi)關(guān)器件采用MOSFET，它們是不能在關(guān)斷瞬間切換的。如果UH和UL是反向信號(hào)，那么，在同一時(shí)刻，一個(gè)開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通，另外一個(gè)開(kāi)關(guān)器件截止。在這段過(guò)渡時(shí)期，會(huì)有一個(gè)短暫的時(shí)間，其中一個(gè)開(kāi)關(guān)器件并未完全截止，而另一個(gè)也是導(dǎo)通的，這樣會(huì)使電源與地直接連接，使得大電流流經(jīng)晶體管。在工程應(yīng)用中必須避免這種情況，因?yàn)槿綦娐分袥](méi)有必要的硬件保護(hù)，極有可能損壞驅(qū)動(dòng)裝置。因此，在控制電路中，每個(gè)PWM過(guò)渡期都應(yīng)增加死區(qū)時(shí)間。要求在一個(gè)很小的時(shí)間內(nèi)，上臂開(kāi)關(guān)和下臂開(kāi)關(guān)都不導(dǎo)通，即產(chǎn)生帶死區(qū)的PWM信號(hào)。
    圖3示出采用ATmega48形成帶死區(qū)時(shí)間的PWM信號(hào)原理。ATmega48中定時(shí)器／計(jì)數(shù)器的雙斜率模式可產(chǎn)生帶死區(qū)時(shí)間的PWM信號(hào)，它能產(chǎn)生一個(gè)關(guān)于B0TTOM對(duì)稱(chēng)的波形。圖3中三角線表示雙斜率相位修正模式下定時(shí)器／計(jì)數(shù)器T0的計(jì)數(shù)值。在向上計(jì)數(shù)時(shí)，當(dāng)計(jì)數(shù)值與沒(méi)定值匹配時(shí)，輸出引腳OCOA清0；在向下計(jì)數(shù)時(shí)，當(dāng)計(jì)數(shù)值與設(shè)定值匹配時(shí)，輸出引腳OCOA置l。輸出引腳OCOB也采用同樣的設(shè)置。PWM占空比則通過(guò)輸出比較寄存器OCROA和輸出比較寄存器OCROB來(lái)設(shè)置；A，B兩路PWM相位的輸出相反。當(dāng)設(shè)置的兩個(gè)輸m端比較值相同時(shí)，這兩個(gè)PWM的輸出互補(bǔ)。

    為了在上臂開(kāi)關(guān)與下臂開(kāi)關(guān)切換時(shí)插入死區(qū)時(shí)間，必須改變0CROB和OCROA的比較值，兩者之差值為插入的死區(qū)時(shí)間。如果3個(gè)計(jì)時(shí)／計(jì)數(shù)器都采用同樣的設(shè)置，就可產(chǎn)生3對(duì)帶死區(qū)的PWM波形，但必須保證PWM的輸出是同步的。當(dāng)采用8位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器產(chǎn)生2路具有不同比較值的PWM信號(hào)時(shí)，其最大設(shè)定值為255。若采用16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，則必須設(shè)定為8位相位修正PWM模式。此時(shí)，PWM的基本頻率可由下式確定：

   
式中：fCPU為CPU的頻率。
    無(wú)刷直流電機(jī)常采用三相正弦驅(qū)動(dòng)方式。常用的方法是把一個(gè)正弦波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，通過(guò)程序查表輸出所需的正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)。由于3個(gè)正弦電壓之間的相位差為120°，因此可以采用一個(gè)正弦波形移位產(chǎn)生所有的正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)。圖4給出各相驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)制和換相時(shí)序。圖中Hl，H2，H3為霍爾傳感器的輸出狀態(tài)；S1～S6為波形產(chǎn)生的步驟；虛線為相位切換波形；實(shí)線為輸出的正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)。圖5給出用于控制器的換相控制程序設(shè)計(jì)流程。 

4 結(jié)語(yǔ)
    無(wú)刷直流電機(jī)的功率因數(shù)高，又無(wú)轉(zhuǎn)子損耗，因此用于無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器大都采用電壓源型PWM控制。由于三相無(wú)刷直流電機(jī)借助ATmega48單片機(jī)進(jìn)行控制．且通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)了帶死區(qū)的PWM、霍爾傳感器的換相處理、正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生和電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，因而所需的外圍器件少，成本低，并且還可提高系統(tǒng)的可靠性。