引言 直流電機由于調節(jié)特性好，堵轉轉矩大，被廣泛應用于驅動裝置及伺服系統(tǒng)。 但是有刷直流電動機結構復雜，需要通過電刷換向，會產生火花并導致電磁干擾等問題，從而使有刷直流電動機的轉速及安全等級不能滿足很多場合中的工業(yè)生產需要，使應用范圍受到限制。 電子器件制造工藝的進步，使制造大功率電子換向器成為可能，也使無刷直流電動機（BLDCM）技術有了飛速發(fā)展。無刷直流電動機既具有傳統(tǒng)直流電動機的優(yōu)點，又由于采用電子換向器，從而克服了機械換向帶來的一系列問題，使無刷直流電動機成為當前電動機控制領域的熱門課題，并且已經被大量應用于生產生活。目前很大一部分電動自行車都使用BLDCM作為驅動元件。 無位置傳感器的無刷直流電動機控制系統(tǒng)，程序算法較復雜，且不適于應用在低速及啟動狀態(tài)，目前絕大部分BLDCM控制系統(tǒng)仍然采用位置傳感器。在種類眾多的位置傳感器中，霍爾元件以價格低廉、使用方便等優(yōu)點被大量應用。本文提出了基于NEC16位單片機UPD78F1201，并以霍爾元件作為位置傳感器的BLDCM控制系統(tǒng)解決方案。 無刷直流電動機控制原理 位置傳感器通常是光電編碼器、霍爾傳感器或正余弦旋轉變壓器。光電編碼器和正余弦旋轉變壓器精度高，但價格昂貴，所需算法也較復雜，主要應用于仿真轉臺或精密數控機床等?；魻杺鞲衅鹘Y構簡單、價格低廉，在BLDCM控制系統(tǒng)中應用很廣，電動自行車中通常采用霍爾傳感器。在電動機定子上間隔120°電角度放置3個霍爾傳感器，即可滿足BLDCM的換相控制需要，而且可以通過檢測霍爾傳感器輸出信號的頻率或脈沖寬度，來檢測電動機轉速，實現速度閉環(huán)。 驅動電路大部分采用全橋電路，通過調節(jié)功率器件的開關順序來實現BLDCM的換相控制，并可以實現電動機的正反轉控制。通過在上下橋臂都調制PWM信號來平衡功率器件的工作壓力，來延長其工作壽命。 控制器部分通常使用單片機或DSP?？刂破魍ㄟ^讀取位置傳感器信號來檢測BLDCM的轉子位置，從而決定換相策略，輸出控制信號到驅動電路，控制功率器件的開關順序，使電機可以連續(xù)轉動。通常，BLDCM控制系統(tǒng)還具有速度閉環(huán)及過流保護功能。 圖2是120°霍爾無刷直流電動機的換相時序示意圖。在本設計中采用此換相時序，根據檢測到的霍爾信號來決定換相策略，由圖中可見，只在上橋臂采用了PWM控制，而下橋臂控制信號并未調制PWM信號。此方法的優(yōu)點就是易于實現，但會帶來上橋臂功率器件工作壓力大，使用壽命低于下橋臂器件。 三路霍爾的輸出信號可以組成6種位置信息，通過此位置信息，來控制換相。例如，當H1H2H3組成的編碼為101（高電平為1，低電平為0）時，電流從電動機U相流入，V相流出；當H1H2H3變?yōu)?00時，電流從U相流入，W相流出。在這樣的控制方式下，電動機實現連續(xù)轉動。 系統(tǒng)設計 UPD78F1201是NEC公司面向變頻控制應用的16位單片機，它具有較為豐富的硬件資源，包括硬件乘法器、除法器、變頻計數器及實時輸出功能等，都為BLDCM控制帶來了便利。 UPD78F1201CPU時鐘最高頻率為20MHz，計時器時鐘40MHz，采用16位78KOR處理核心，指令執(zhí)行速度更快，效率更高，并在單片機內集成了大量的功能強大的外圍設備，例如看門狗、DMA控制器、上電清零電路、低壓檢測電路等，降低系統(tǒng)成本，并提高系統(tǒng)可靠性。UPD78F1201內建了16位乘16位的硬件乘法器和32位除32位的硬件除法器，能夠在1個時鐘周期內完成乘法運算，在16個時鐘周期內完成除法運算，極大地提高了單片機的運算性能。 此單片機設計用于電機變頻控制，所以在內部有變頻控制功能及實時輸出功能。通過計時器矩陣單元（TAUS），可以設置6路PWM波的周期、占空比、死區(qū)時間等，與實時輸出功能配合，可以簡化BLDCM控制算法，從另一個角度提高系統(tǒng)性能。 本系統(tǒng)所使用的電機為BLY171S，三相無刷直流電動機，帶有120°霍爾傳感器，最高轉速8000r/min，額定電壓15V。通過變阻器輸入速度控制信號。單片機輸出六路控制信號，控制三相全橋驅動電路，根據變阻器輸入電壓值來調節(jié)PWM占空比，調節(jié)電機轉速。單片機通過外部中斷來檢驗霍爾傳感器的輸出信號，并根據電機轉動方向來決定換相策略。在TAUS中設置PWM的占空比及死區(qū)時間，通過實時輸出功能，將PWM波調制到響應的功率器件。 結論 電動機三相繞組的電壓波形，波形從上到下依次為U、V、W三相。圖4（b）為V、W兩相的控制信號，從上到下為VB、VT、WB和WT。 利用NEC的UPD78F1201單片機設計的無刷直流電動機控制系統(tǒng)，結構簡單，易于實現。本文僅簡單介紹了無刷直流電動機控制系統(tǒng)的實現方法，目前，NEC電子公司可向客戶提供完整的無刷直流電動機控制解決方案，并努力擴大針對電動機控制的MCU產品種類和生產能力，會有更多的產品應用于空調、冰箱以及電動車等領域。