航模直流无刷无感电机调速控制系统设计

・３０・　《测控技术）２０ｏ６年第２５卷第７期　航模直流无刷无感电机调速控制系统设计　戴敏，曹杰，史金飞　２１００９６）　（东南大学机械工程系，江苏南京摘要：针对航模用无传感器无刷直流电机的特点，设计开发了其专用调速控制系统。首先分析了无传感　器无刷直流电机的位置检测方法、ＰＷＭ调制方式和启动策略等控制原理。接着以ＭＥＧＡ８单片机为核　心设计了硬件系统，对几个关键控制电路给出了原理图并进行了详细阐述。最后还给出了系统控制多　种航模用电机的测试结果。　关键词：无位置传感器；无刷直流电机；控制系统；ＭＥＧＡ８　中图分类号：ＴＭ３０１　文献标识码：Ｂ　文章编号：１０００—８８２９（２００６）０７—００３０—０４　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａ　Ｓｐｅｅｄ—Ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　Ｓｅｎｓｅｌｅｓｓ　Ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ　ＤＣ　Ｍｏｔｏｒ　ＤＡＩ　Ｍｉｎ，ＣＡＯ　Ｊｉｅ，ＳＨＩ　Ｊｉｎ—ｆｅｉ　（Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００９６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｓｐｅｅｄ—ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｓｅｎｓｅｌｅｓｓ　ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ　ＤＣ　ｍｏｔｏｒ　ｉｎ　ａｅｒｏｍｏｄｅＨｉｎｇ　ｉｓ　ｉｎ￣ｏｄｕｃｅｄ．　Ｓｏｍｅ　ｂａｓｉｃ　ｔｈｅｏｒｉｅｓ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，ＰＷＭ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　ｓｔａｒｔｉｎｇ　ｐｏｌｉｃｙ　ｏｆ　ｓｅｎｓｅｌｅｓｓ　ＢＬＤ—　ＣＭ　ａｒｅ　ｄｉｓｓｅｒｔｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｉｒｓｔ．Ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＭＥＧＡ８　ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．Ｓｏｍｅ　ｋｅｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃｉｒ—　ｃｕｉｔｓ　ａｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ａ　ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｍｕｈｉ—ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ　ＢＬＤＣＭ　ｉｎ　ａｅｒｏｍｏｄｅＨｉｎｇ　ｉｓ　ｓｐｅｃｉｆｉｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｅｎｓｅｌｅｓｓ；ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ　ＤＣ　ｍｏｔｏｒ（ＢＬＤＣＭ）；ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ；ＭＥＧＡ８　航模用无刷直流电机（ＢＬＤＣＭ）具有体积小、重量　轻、效率高和可靠性高等优点，由于航模领域的特殊　性，对于电机的控制系统也提出了一些特殊的要求，其　中最重要的就是要求控制系统的体积小、质量轻。这　就要求设计者在设计控制电路时必须使用较少的元器　件和较简单的电路。　开环控制，转速负反馈控制和电压负反馈加电流正反　馈控制。其中开环控制方式适合于转速精度要求不高　的场合，转速负反馈方式适合于机械特性要求比较硬、　转速精度比较高的场合，而电压负反馈电流正反馈方　式则应用于动态性能要求比较高的场合。航模用的无　刷直流电机对于转速精度要求并不很高，使用开环控　制方式就可满足要求。　图１是无刷直流电机的电路原理图　ｊ。采用二相　导通星形三相六状态控制策略时，其工作过程如下：　ｔ＝０。电流：电源＋　Ｔ１　Ｕ　Ｖ　Ｔ４　电源一　ｔ＝６０。电流：电源＋　Ｔ１　Ｕ　Ｗ　电源一　ｔ＝１２０。电流：电源＋　ｒＩ３　Ｖ　Ｗ　电源一　关于无传感器无刷直流电机控制系统的研究很　多，其中文献［１］提出了使用ＭＣ６８ＨＣ９０８ＧＰ３２芯片为　核心的无传感器无刷直流电机控制应用策略；文献　［２］提出了一种基于ＤＳＰ的无传感器无刷直流电机控　制方法，借助于ＤＳＰ的强大运算处理能力，完全由软　件实现反电势过零检测换相和开环起动。这些方法均　能实现对电机的控制，但是在电路设计上都比较复杂，　与航模用无刷电机控制系统电路设计简单的要求相矛　盾。本设计是以ＭＥＧＡ８单片机为核心的无刷直流电　机控制系统，该系统充分发挥ＭＥＧＡ８单片机的特点，　外围控制电路十分简单。　ｔ＝１８０。电流：电源＋　ｒＩ３　Ｖ　Ｕ　Ｔ２　电源一　ｔ＝２４０。电流：电源＋　Ｔ５　Ｗ　Ｕ　Ｔ２　电源一　ｔ＝３００。电流：电源＋　Ｔ５　Ｗ　Ｖ　Ｔ４　电源一　ｔ＝３６０。电流：电源＋　Ｔ１　Ｕ　Ｖ　Ｔ４　电源一　＋　１　无传感器无刷直流电机控制简介　目前常用的无刷直流电机控制方法可分为３类：　收稿日期：２００５—１２—０６　作者简介：戴敏（１９７７一），女，江苏泰兴人，在读博士研究生，主　要研究方向为机械制造及其自动化技术。　图１无刷直流电机的电路原理图　由此可看出，只要转子在合适的位置及时准确地　维普资讯 http://www.cqvip.com

航模直流无刷无感电机调速控制系统设计　・３１・　切换相应的开关管进行换流，电机就能平稳旋转并获　得最大的转矩。　用了反电动势过零法　对转子位置进行检测。该方　法具有线路简单、技术成熟、成本低廉等优点，当然也　存在电机不转及转速很低时，反电势无法检测的缺点。　对于这些不足，作者使用了软件优化等方法予以克服。　反电势过零法的工作原理如图３所示：在任何时　刻，电动机三相绕组只有两相导通，每相绕组正反相分　别导通１２０。电角度。通过测量三相绕组端子及中性　点相对于直流母线负端（或正端）的电位，当某端点电　位与中性点电位相等时，则此时刻该相绕组反电动势　２　系统设计　２．１总体设计　如前所述，在航模电机调速控制系统中，对设计者　最大的挑战就是如何使用简单的电路，较少的元器件，　在有限的空间里设计出高效、可靠的控制系统。因此　作者选用了ＭＥＧＡ８单片机作为系统控制核心，在电　机驱动部分使用Ｐ沟道和Ｎ沟道配合的全桥驱动电　路。对于一些既可以使用硬件电路实现，又可以使用　软件程序实现的功能，在设计中将权衡两者在实现中　的速度、精度和复杂程度，做出合理的选择。　航模电机调速控制系统具有以下功能：　①电机速度控制信号的检测；　②三相直流无传感器无刷电机的调速控制；　③电池电压检测。　２．２硬件设计　系统硬件框图如图２所示（其中虚线部分只在开　发调试中使用）。　Ｉ电源输入　Ｍ　・—＿－ＪＩ反电势检测输入ｌ　Ｅ　Ｇ　・—＿ＪＡ　Ｉ　电机电流检测　ｌ　ｌ　检测　Ｉ　盟８　』　ｌ－ｓ　编程接口　≥　片机　－　＿一电机速度控制脉冲输入　图２系统硬件框图　２．２．１　ＭＥＧＡ８单片机简介　ＭＥＧＡ８单片机内部集成了８　ＫＢ的ＦＬＡＳＨ，具有　丰富强大的硬件接口电路，但由于采用了小引脚封装，　所以价格与低档单片机相当，因此具有极高的性价比。　当工作在１６　ＭＨｚ时，具有１６ＭＩＰＳ的性能，完全可以　适合无传感器无刷直流电机的控制需求。带ＴＱＦＰ封　装的ＭＥＧＡ８单片机具有２通道８位Ａ／Ｄ转换，可以　胜任电池电压检测这种对精度没有苛刻要求的功能。　ＭＥＧＡ８最多有２３个可编程的Ｉ／Ｏ口，可任意定　义Ｉ／Ｏ口的输出和输入方向。输出时为推挽输出，驱　动能力强，可直接驱动大电流负载。输入口可定义为　三态输入、带内部上拉电阻输入，具有一定的灵活性，　且可以简化外部电路。　另外，ＭＥＧＡ８支持ＩＳＰ功能，在程序设计、调试时　可以很方便地对器件进行在线编程、修改，而不需要使　用专用设备。　２．２．２反电势过零检测电路设计　无位置传感器无刷直流电机控制的一个关键点就　是电机转子位置信息的检测与估计。作者在设计中使　过零，再过３０。电角度就必须对功率器件进行换相。　据此可设计过零检测及移相（或定时）电路，从而得到　全桥驱动６个功率器件的开关顺序。　６－Ｉ　ｌ－２　２—３　３－４　４－５　５—６　＼　／　＼　，　／　＼　／　＼　ｅ　／　＼　／　６０。　１２０。　１８０。　２４０。　３００。　３６０。　图３反电势过零法的工作原理　由电机学原理【３　可得：三相的反电势过零检测方　程为（以ｕ相为例）　ｅ　＝ｕ　一÷（ｕ　＋ｕ　）　（１）　ＭＥＧＡ８具有ＡＤ转换电路，可以直接将待检测的　电路接入ＡＤＣ端口，检测电压的值，但是对于反电势　过零法而言，要获得的并不是具体的反电势电压值，而　只是反电势的过零点，因此如果直接使用ＭＥＧＡ８的　ＡＤ功能，虽然在电路上是简化了，但是在软件的编制　上却带来了很大的问题，首先ＡＤ采样不仅使软件程　序编制复杂，而且运行ＡＤ采样将占用过多的ＭＣＵ运　行时间，降低程序的实时性。而实际上只需要根据式　（１）确定反电势符号改变的时刻，就可以认为检测到　过零点。因此在设计中采用了专门的过零点检测电　路，使用简单的硬件电路解决软件ＡＤ采样和电压比　较的复杂过程。实际电路如图４所示（Ｕ相电路）。　当截止相Ｕ反电势到达过零点时，Ｌ１￣３９将产生一个　脉冲。　根据式（１），当反电势为零时有２ｕ　＝ｕ　＋Ｕ　，从　图中可见，当ｕ。，从＋　一过程中，ｏｕｔｐｕｔＵ处产生一个　下降沿脉冲，当ｕ。，从一　＋过程中，ｏｕｔｐｕｔＵ处产生一　个上升沿脉冲。单片机通过检测脉冲的变化，即可得　到过零点的位置。　２．２．３电机驱动电路设计　对于永磁无刷直流电机，从图３中可见，每一个周　维普资讯 http://www.cqvip.com

・３２・　图４反电势检测电路（Ｕ相）　期由６个６０。的扇区组成，每个元件导通１２０。，即在两　个连续的扇区中导通。因此有２种ＰＷＭ调制方式：　半桥载波和全桥载波。对于永磁直流电机而言，无论　是上半桥载波还是下半桥载波，截止相都会产生续流，　导致其余两相电流产生波动，电机转速越高，相应的波　动也就越大。而采用全桥载波，则始终有两相导通，截　止相不会产生续流，电流波动和转矩脉动都较小。当　然全桥载波也有不足之处，全桥载波时功率管的开关　损耗是半桥载波方式的２倍。　在本设计中电机的驱动采用全桥驱动电路，使用　一对Ｐ沟道和Ｎ沟道的ＰＯＷＥＲ　ＭＯＳＦＥＴ控制。电路　如图５所示。ＭＥＧＡ８单片机具有３个硬件ＰＷＭ通　道，可以实现任意＜１６位、相位和频率可调的ＰＷＭ脉　宽调制输出，因此在设计中直接使用硬件ＰＷＭ功能。　从速度和精度上来讲，硬件ＰＷＭ都优于软件ＰＷＭ，　而且使用硬件ＰＷＭ不仅不需要增加外围电路，还可　以减少软件编程的难度。　图５电机驱动电路（Ｕ相）　２．３软件设计　２．３．１电机启动策略　对于电机的启动，作者在设计中使用了软件启动　法：在电机静止和低速运行时，其反电势为零或极低，　无法检测，因此采用外同步起动的方法。在电机起动　时，先在某相加电压，然后检测过零点，若检测到过零　点，就提前切换，如果检测不到就延时一段时间再切　换。以此来使电机转速逐渐升高，当反电势足够大时，　则进入正常运转方式。　２．３．２调速控制程序　由于使用反电势过零法实现电机的驱动，电机的　《测控技术）２ｏｏ６年第２５卷第７期　控制将完全依赖于ＭＥＧＡ８的控制程序。当电机高速　运转时（最高可达６０　０００　ｒ／ｍｉｎ），电机的换相必须在　很短的时间内完成。这就要求电机控制程序的算法简　短、精确并高效。　电机调速控制信号的周期通常在１　１００—１　９００　ｓ　之间。程序使用ＭＥＧＡ８内部定时器作为检测调速信　号的基准时钟。当ＭＥＡＧＥ８工作在１６　ＭＨｚ，定时器　工作在８分频的模式下时，定时器的时间精度为０．５　ｓ，程序检测控制信号的精度达到０．５％。　电机调速控制信号的检测在外部中断程序中完　成，如图６所示。外部中断程序检测调速控信号的上　升沿与下降沿，根据基准时钟计算出脉冲时间，然后设　置ＰＷＭ的占空比。　电机的换相控制在程序主流程中完成，如图７所　示。程序以三相六状态循环的方式工作。当进入一个　状态的控制阶段时，程序首先根据上一次换相的时间，　估算本次过零点时间，然后等待检测反电势过零点。　当检测到准确的过零点时间后，程序计算出本次换相　点理论时间（３０。换相时间）。随后根据设置的参数对　换相时间做修正，以发挥电机的最大工作效率。当换　相时间到达时，程序切换ＭＯＳＦＥＴ管的通断状态，然　后进入下一状态的控制阶段。　进入下一状态　估算过零点时间　二二　二　等待过零点信号　二二　二　计算换相点时间　二二　二　等待换相点时间　二二　二　切换ＭＯＳＦＥＴ管　图６调速信号检测流程图　图７　电机换相控制流程图　２．３．３软件保护措施　航模在实际使用中经常会发生电池电压过高或过　低、控制信号中断、电机堵转等意外情况。电池电压过　高或过低可能会导致控制板电路无法正常工作。电机　堵转可能会造成电池或电机的烧毁。因此作者在设计　控制程序时加入了很多的保护措施：　①在电机启动之前，程序首先会检测电池的电压。　如果电池电压过低或过高，程序会发出报警。　②程序通过一个定时器中断检测控制脉冲信号的　输人情况。如果在一定时间内没有信号输人，程序将　关闭电机以防发生意外情况。　维普资讯 http://www.cqvip.com

航模直流无刷无感电机调速控制系统设计　・３３・　③程序在每次换相结束后，都会检测电池的当前　电压与电机的工作电流。当电机发生堵转时，通过电　机的电流会陡然上升，软件将立即关闭电流输出以防　止电池或电机的损坏。　系统在满足航模电机调速要求的情况下，具有更好的　灵活性。　④程序启动ＭＥＧＡ８中的看门狗功能，用以外部　干扰导致软件发生异常时自动启动。　３　电机测试　作者对无传感器无刷直流电机控制系统进行了两　项测试。一项为线性度测试，另一项为电机驱动测试。　线性度测试使用了某航模公司提供的电调专用测　试仪。测试仪可产生从１　１００～１　９００　ｓ的连续信号，　并能自动记录下电机的转速变化曲线。控制系统测试　结果如图８所示。图中，１　１００～１　２００　ｓ阶段为电机　的外同步启动阶段。１　２００～１　８００　ｓ反电势过零法　调速控制阶段。１　８００　ｓ以后为电机全速运转阶段。　测试结果显示作者设计的控制系统在调速控制阶段具　有较好的线性度，并且在从外同步启动阶段向反电势　过零法控制阶段过渡时也较平滑。　图８电机控制系统测试结果　电机驱动测试的目的是要考验控制系统与无传感　器无刷直流电机兼容性。测试选用了市售的４款电　机，即ＥＬＥ８５０：７．３雷达减速器＋９０４７桨，ＧＳ２０３０：　７．１４减速器＋９０４７桨，ＥＬＥ１０００：９减速器＋９０４７桨，　ＴＯＷＥＲＰＲＯ：外转子无刷＋９０４７桨直驱。测试时使用　７．４　Ｖ　２　５００　ｍａｈ锂电池作为控制板的驱动。使用　４ＶＦ发射　接收机提供电机速度控制脉冲。测试时　人工操作４ＶＦ发射机发出１至２２级速度控制信号，　在每一级信号下测量电机的实际转速。测试结果如图　９所示。测试结果表明，控制系统对４款电机均能良　好地驱动。　４结束语　针对航模无传感器无刷直流电机控制系统的特点　要求，采用ＭＥＧＡ８单片机设计的电机控制系统，使用　硬件和软件相结合的设计方法，使用硬件电路搭建必　要的外围电路，主要使用软件来实现电机调速控制，使　图９电机驱动测试结果　参考文献：　［１］　奉华成，皮佑国，吴效明．ＭＣ６８ＨＣ９０８ＧＰ３２在无刷无传感　器型直流电机控制中的应用［Ｊ］．电子技术，２００２，（１２）．　［２］　王微子，等．基于ＤＳＰ的无位置传感器无刷直流电动机　调速系统［Ｊ］．微特电机，２００４，（７）．　［３］李钟明，刘卫国．稀土永磁电机［Ｍ］．北京：国防工业出版　社．１９９９．　［４］　罗隆福，杨艳，吴素平．ＢＬＤＣＭ无位置传感器换相检测和　开环起动的软件实现［Ｊ］．微特电机，２００４，（３）．　口　（上接第２５页）　（３）该方法主要适合于单根裂缝的计算。　（４）如果进一步提高采集系统和处理过程的自动　化、程序化，不仅可以对高处、危险处等人无法靠近的　地方进行检测，也可以实时跟踪裂纹尖端的发展【９　Ｊ，　从而提高现场的工作效率。　参考文献：　［１］姚继涛，马永欣，等．建筑物可靠性鉴定和加固——基本　原理和方法［Ｍ］．北京：科学出版社，２００３．　［２］侯宝隆，蒋之峰．混凝土的非破损检测［Ｍ］．北京：地震出　版社，１９９２．　［３］Ｋｉｍ　Ｋ　Ｓ，Ｋａｎｇ　Ｋ　Ｓ，Ｋａｎｇ　Ｙ　Ｊ，Ｃｈｅｏｎｇ　Ｓ　Ｋ．Ａｎ￣ｙｍｓ　ｏｆ　ａｎ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｃｒａｃｋ　ｏｆ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｕｓｉｎｇ　ＥＳＰＩ　ａｎｄ　ｓｈｅａｒｏｇｒａ—　ｐｈｙ［Ｊ］．Ｏｐｔｉｃｓ＆Ｌａｓｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００３，３５（８）：６３９—　６４３．　［４］Ｖｏｇｅｌ　Ｈ　Ｊ，Ｈｏｆｆｍａｎｎ　Ｈ，Ｒｏｔｈ　Ｋ．Ｓｔｕｄｉｅｓ　ｏｆ　ｃｒａｃｋ　ｄｙｎａｍｉｃｓ　ｉｎ　ｃｌａｙ　ｓｏｉｌ．Ｉ：Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｍｅ￣ｏｄｓ，ｒｅｓｕｌｔｓ，ａｎｄ　ｍｏｒｐｈｏｌｏｇ：　ｉｃａｌ　ｑｕａｎｔｉｉｆｃａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｇｅｏｄｅｒｍａ，２００５，１２５：２０３—２１１．　［５］　陆玲，陈国明，戴扬．水下结构物裂缝特征定量分析与测　量［Ｊ］．计算机测量与控制，２００４，（１）：ｌ０一ｌ２．　［６］　施树明，初秀民，王荣本．沥青路面破损图像测量方法研　究［Ｊ］．公路交通科技，２００４，（７）：１２—１６．　［７］　耿飞，钱春香．图像分析技术在混凝土收缩裂缝定量测　试与评价中的应用研究［Ｊ］．东南大学学报（自然科学　版），２００３，（６）：７７３—７７６．　［８］刘宝琛．实验断裂，损伤力学测试技术［Ｍ］．北京：机械工　业出版社，１９９４．　［９］王蕾，宋文忠，韩桃．目标自动跟踪系统半实物仿真平台　设计［Ｊ］．测控技术，２００３，２４（３）：４６—６７．　口