永磁無(wú)刷直流電機(jī)數(shù)字式控制器

一、概述

永磁直流無(wú)刷電機(jī)（PM-BLDC），由于其固有的許多特點(diǎn)，再加上我國(guó)稀土資源豐富，被眾多電機(jī)專(zhuān)家認(rèn)為是21世紀(jì)的新型換代產(chǎn)品。隨著半導(dǎo)體集成電路，電力電子器件，控制原理和稀土材料工業(yè)的發(fā)展，可以預(yù)見(jiàn)這種產(chǎn)品必然會(huì)逐步取代傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的交流電動(dòng)機(jī)加變頻調(diào)速器的模式。

目前見(jiàn)到的文獻(xiàn)中，控制器一般都采用Motorola公司的MC33035，MicroLinear公司的ML4425/4428或采用通用的 PWM芯片如 SG3524，TL494等。采用這些ASIC芯片，雖然能實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)線調(diào)速，但還存在一些問(wèn)題，如無(wú)法與計(jì)算機(jī)直接接口，許多較為復(fù)雜的控制算法無(wú)法在不增加硬件成本的情況下實(shí)現(xiàn)，控制器的為機(jī)界面不理想?？偟闹v，控制器的智能化程度不高。雖然采用通用PWM芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速的方案成本較低，但當(dāng)控制器針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合增加各種附加功能時(shí)，其靈活性不夠，而且反而增加硬件的成本。

在電動(dòng)自動(dòng)車(chē)的控制器的設(shè)計(jì)中，如采用上面?zhèn)鹘y(tǒng)的控制方案，無(wú)論是電流環(huán)還是速度環(huán)，其控制特性都不盡為意。對(duì)速度環(huán)，突然堵轉(zhuǎn)會(huì)引起功率器件的損壞，電流環(huán)時(shí)，當(dāng)對(duì)速度進(jìn)行測(cè)量時(shí)，又會(huì)增加額外的硬件開(kāi)銷(xiāo)。我們?cè)陔妱?dòng)自行車(chē)控制器中，采用嵌入式單片機(jī)C504，對(duì)PM-BLDC Motor進(jìn)行速度和電流的雙環(huán)控制，滿(mǎn)足了電動(dòng)車(chē)特性的要求。

 
二、PM-BLDC數(shù)字控制器方案

PM-BLDC數(shù)字式控制器的框圖如圖1所示。

其中的核心部件是Infineon的嵌入式單片機(jī)C504。選擇C504的理由是：在C504內(nèi)部有能產(chǎn)生三相PWM波的CCU單元。當(dāng)對(duì)CCU的 SFR設(shè)置為Block Communication Mode時(shí)，CCU單元能根據(jù)三個(gè)中斷的信號(hào)的相位，自動(dòng)產(chǎn)生適合PM-BLDC Motor 1200導(dǎo)通模式的6相PWM斬波信號(hào)而無(wú)需增加軟件開(kāi)鎖。這時(shí)要求把三個(gè)相差1200電角度的HALL與C504的INT0，INT1，INT2直接連接。

另外，C504具有高抗干擾性，能在惡劣的電磁環(huán)境下正常工作。C504易開(kāi)發(fā)，與國(guó)內(nèi)普遍使用的MCS-51系列單片機(jī)完全兼容和可接受的價(jià)格[1]。

從該控制器原理圖可以看出，PM-BLDC的速度可以直接用數(shù)字進(jìn)行預(yù)置或通過(guò)軟件進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)不同的控制算法以滿(mǎn)足各種應(yīng)用要求。

結(jié)語(yǔ)

本數(shù)字式控制器對(duì)PM-BLDC的控制電動(dòng)自動(dòng)車(chē)上取得了滿(mǎn)意的效果。

在電動(dòng)自動(dòng)車(chē)控制器的設(shè)計(jì)中，有一個(gè)緩啟動(dòng)的問(wèn)題保有數(shù)字方法才能實(shí)現(xiàn)。當(dāng)用戶(hù)啟動(dòng)時(shí)，一般把油門(mén)信號(hào)開(kāi)到最大，這對(duì)電機(jī)和控制的壽命極為不利。在我們的采用C504的控制器中，很好地解決了這一問(wèn)題，而且實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)啟動(dòng)。

可以看出，只要MCU具有現(xiàn)場(chǎng)可編程的功能（ISP Function)，可以在應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)只改變軟件而無(wú)須重新調(diào)整硬件就能實(shí)現(xiàn)各種控制方案，這為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試提供了極大的方便性。

目前，我們用這種方案實(shí)現(xiàn)了一套張力控制系統(tǒng)，采用了Infineon提供的C504 MCU，大功率MOSFET(CoolMOS)，高壓IGBT和SFH系列高速光耦，取代了傳統(tǒng)的感應(yīng)電機(jī)，變頻調(diào)速器及張力控制器，具有一定的先進(jìn)性和價(jià)格優(yōu)勢(shì)，有推廣應(yīng)用的前景。