基于ATmega48的三相無刷電機控制方法

引言
    無刷直流電機以其重量輕，體積小，加速性能好，運行平穩(wěn)，噪音低等優(yōu)點而廣泛用于丁業(yè)和民用產(chǎn)品中。無刷直流電機的功率因數(shù)高，無轉(zhuǎn)子損耗，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速能嚴格地與電源頻率保持同步。轉(zhuǎn)子磁場由永久磁鐵產(chǎn)生。通常，采用電壓源型脈寬調(diào)制(PWM)控制作為無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)用的驅(qū)動器。近年來，國外紛紛推出以單片機(MCU)為核心的單片電機控制器，它南一個MCU再配備外圍驅(qū)動電路構(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單片機實現(xiàn)三相無刷直流電機控制器的方法。

2 ATmega48單片機
    ATmega48單片機是Atmel公司基于自動電壓調(diào)整器(Automatic Voltage Regulator，簡稱AVR)增強型精簡指令集計算機(RISC)結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。具有先進的指令集及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，其數(shù)據(jù)吞吐率可以達到1 MIPS/MHz。AVR內(nèi)核具有豐富的指令集和32個通用工作寄存器。這些寄存器都直接與算術(shù)邏輯單元(ALU)相連接．可在一個時鐘周期內(nèi)通過一條指令同時訪問兩個獨立的寄存器，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個通用I／0口線；32個通用工作寄存器；2個帶獨立預(yù)分頻器和比較器的8位定時器／計數(shù)器；1個帶預(yù)分頻器、比較器和捕捉功能的16位定時器/計數(shù)器；帶獨立振蕩器的實時計數(shù)器；6個通道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／從機模式的SPI串行接口；面向字節(jié)的2線串行接口；獨立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器；片內(nèi)模擬比較器及5種可通過軟件選擇的省電模式。ATmega48具有豐富的I／0口、A／D轉(zhuǎn)換器、定時器／計數(shù)器、PWM通道等資源，為實現(xiàn)三相無刷直流電機的控制、換相檢測等提供了方便。

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

    作為一種同步電機，直流無刷電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受定子旋轉(zhuǎn)磁場速度及轉(zhuǎn)子極數(shù)的影響。當(dāng)轉(zhuǎn)子的極數(shù)固定時，只要改變定子的旋轉(zhuǎn)磁場頻率，即可改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。直流無刷電機是一種控制定子的旋轉(zhuǎn)磁場頻率，并將電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速回饋控制中心進行反復(fù)校正．以達到接近直流電機的特性。當(dāng)負載變化時，它能在額定負載范圍內(nèi)控制電機的轉(zhuǎn)子維持一定的轉(zhuǎn)速。
    圖2給出用于圖1中的功率驅(qū)動電路。該驅(qū)動部分由上臂VQl，VQ3，VQ5和下臂VQ2，VQ4，VQ6的6個功率晶體管組成，用于連接電機作為控制流經(jīng)電機繞組的開關(guān)。控制部分提供PWM，用于決定功率晶體管開關(guān)頻率及換相的時刻。在控制直流無刷電機轉(zhuǎn)速時．通常希望在負載變化時也能使電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在設(shè)定值內(nèi)，而不發(fā)生太大的波動。因此，在無刷電機內(nèi)部設(shè)置霍爾傳感器．以感應(yīng)磁場變化，該傳感器既可作為電機轉(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)。

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    當(dāng)控制器工作時，可根據(jù)霍爾傳感器檢測到電機轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位置，依照定子繞組決定開啟或關(guān)閉功率晶體管的順序，使電流依序流經(jīng)電機線繞組，以產(chǎn)生順向或逆向的旋轉(zhuǎn)磁場，并與轉(zhuǎn)子的磁鐵相互作用，使電機順時或逆時轉(zhuǎn)動。當(dāng)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到霍爾傳感器檢測出另一組信號的位置時，再開啟下一組功率晶體管，如此循環(huán)，電機就能依據(jù)同一方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動，直到控制器決定使電機轉(zhuǎn)子停止時，則關(guān)閉功率晶體管；決定使電機轉(zhuǎn)子反向時，則開啟功率晶體管，但順序相反。PWM是決定電機轉(zhuǎn)速快或慢的方式，如何產(chǎn)生PWM是實現(xiàn)準確控制速度的核心。
    圖2中的開關(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，那么，在同一時刻，一個開關(guān)器件導(dǎo)通，另外一個開關(guān)器件截止。在這段過渡時期，會有一個短暫的時間，其中一個開關(guān)器件并未完全截止，而另一個也是導(dǎo)通的，這樣會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，因為若電路中沒有必要的硬件保護，極有可能損壞驅(qū)動裝置。因此，在控制電路中，每個PWM過渡期都應(yīng)增加死區(qū)時間。要求在一個很小的時間內(nèi)，上臂開關(guān)和下臂開關(guān)都不導(dǎo)通，即產(chǎn)生帶死區(qū)的PWM信號。
    圖3示出采用ATmega48形成帶死區(qū)時間的PWM信號原理。ATmega48中定時器／計數(shù)器的雙斜率模式可產(chǎn)生帶死區(qū)時間的PWM信號，它能產(chǎn)生一個關(guān)于B0TTOM對稱的波形。圖3中三角線表示雙斜率相位修正模式下定時器／計數(shù)器T0的計數(shù)值。在向上計數(shù)時，當(dāng)計數(shù)值與沒定值匹配時，輸出引腳OCOA清0；在向下計數(shù)時，當(dāng)計數(shù)值與設(shè)定值匹配時，輸出引腳OCOA置l。輸出引腳OCOB也采用同樣的設(shè)置。PWM占空比則通過輸出比較寄存器OCROA和輸出比較寄存器OCROB來設(shè)置；A，B兩路PWM相位的輸出相反。當(dāng)設(shè)置的兩個輸m端比較值相同時，這兩個PWM的輸出互補。

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

   
式中：fCPU為CPU的頻率。
    無刷直流電機常采用三相正弦驅(qū)動方式。常用的方法是把一個正弦波形數(shù)據(jù)存儲在存儲器中，通過程序查表輸出所需的正弦驅(qū)動信號。由于3個正弦電壓之間的相位差為120°，因此可以采用一個正弦波形移位產(chǎn)生所有的正弦驅(qū)動信號。圖4給出各相驅(qū)動信號的產(chǎn)生機制和換相時序。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；實線為輸出的正弦驅(qū)動信號。圖5給出用于控制器的換相控制程序設(shè)計流程。 

4 結(jié)語
    無刷直流電機的功率因數(shù)高，又無轉(zhuǎn)子損耗，因此用于無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)的驅(qū)動器大都采用電壓源型PWM控制。由于三相無刷直流電機借助ATmega48單片機進行控制．且通過軟件實現(xiàn)了帶死區(qū)的PWM、霍爾傳感器的換相處理、正弦驅(qū)動信號的產(chǎn)生和電機的轉(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。