基于单片机C8051F500的无刷直流电机控制研究

张 扬，王 聪，张 雷

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

1 引言

无刷直流电机自诞生以来，因其具有交流电机结构简单、维护容易、性能稳定可靠等优点，同时兼有直流电机无励磁损耗、运行效率高以及调速性能好等优点，还克服了直流电机由于机械换相和电刷而带来的一系列弊端，因此被广泛应用于各种调速场合[1]。在国民经济的各个领域中它得到越来越广泛的应用，如工业控制、汽车电子产品、电动车、电冰箱、洗衣机、电风扇、空调等家电器产品。在航空航天和军工方面也有大量应用，如航天飞机、电传动装甲车辆和鱼雷等。

2 无刷直流电机控制理论

普通直流电机的电枢通常在转子上，定子用于产生固定不变的磁场，需要通过换向器与电刷不间断的改变电流方向，确保两个磁场的方向一直处于垂直状态，产生恒定的转矩，从而驱动转子不断旋转，实现电机转动。

为减小电刷上的损耗，设计定子由电枢组成，转子由永磁铁组成，实现电机从有刷变为无刷。定子中电枢按照一定时序通入直流电，使定子中电枢产生的变化磁场始终与转子中永磁铁产生的磁场保持90°左右的空间角，产生的转矩带动转子不断旋转，从而实现无刷直流电机工作。在综合考虑无刷直流电机构成、转矩波动、绕组整体使用效率以及控制电路成本等因素前提下，研究选取了一种三相星形全桥驱动的方式，其原理图如图1所示。

图1 三相星形全桥驱动原理图

通过监测转子所处的不同位置，对应生成有序的控制信号，用于控制开关管V1～V6的导通与关断，确保任意时刻三项绕组中两项导通，定子与转子产生的磁场始终相互作用，使电机处于工作状态。

3 仿真分析

3.1 MATLAB/Simulink仿真

在MATLAB/Simulink环境下搭建无刷直流电机控制系统仿真模型，如图2所示。仿真模型主要由6个模块组成：逆变电路模块、电机本体模块、电流检测模块、转速调节模块、电流调节模块、负载模块。

仿真系统采用双闭环控制策略，内环为电流环，外环为速度环。主电路采用三相全桥式电路，选择120°两两导通方式。在直流调速控制系统中，电流、转速双闭环控制具有动态响应快与抗干扰能力强两个突出特点，是应用最为广泛的一种控制方式。采用无刷直流电机控制器一方面能够减小转速与设定值之间的误差，另一方面当负载发生变化时能起到抗干扰的作用，使整个系统工作在稳定状态。

图2 无刷直流电机双闭环控制系统仿真模型

电流调节器的作用是：当电压发生变化时，使电流只跟随着负载变化，当电网波动时，能够起到抗干扰的作用；使其动态过程加快；当发生过载或者堵转时，加快自保护的能力[2]。

3.2 仿真波形

电机定子电枢中三相绕组的电流波形图如图3所示，三组波形为相位差为120°的方波，其导通逻辑顺序与理论依据相符。

图3 电机定子电枢中三相绕组的电流波形图

电机转速波形如图4所示，空载时电机能够在0.03s内快速升至设定值2000r/min。负载在0.5s处发生突变，由0N·m迅速升至1N·m，电磁转矩依据电机运动方程增加了1N·m。电机转速几乎没有发生改变，继续维持在设定值上下，该控制系统在稳态、动态运行性能上有良好的表现。

图4 电机转速波形图

4 硬件及软件设计

随着高性能微处理器的不断涌现，目前基于现场可编程门阵列FPGA、数字信号处理器DSP、ARM、高性能单片机及专用芯片等微处理器的电路研究应用已经成为电机调速领域的主流[3]。

本控制系统的总体构成框图如图5所示。控制电路由主控芯片C8051F500与电机专用芯片MC33035、MC33039构成。主控芯片C8051F500对无刷直流电机进行启动停止、正反转、调速、转速显示等控制。霍尔位置传感器的反馈信号经MC33035逻辑变换后生成六路输出控制信号送到逆变电路，控制逆变功率开关管以一定规律导通与关断，使电机定子电枢按照一定电度角，产生不间断步进的磁势，从而带动电机转子旋转，实现无刷直流电机的工作。MC33039可以将霍尔位置传感器的反馈信号转换成一组正比于电机转速的脉冲信号，配合MC33035构成闭环控制系统。

图5 无刷直流电机系统控制框图

4.1 专用芯片MC33035与MC33039

MC33035是由美国安森美生产的一种高性能第二代单片无刷直流电机专用控制器，可用于三相或四相电机的控制系统，实现全开环的全部动力控制功能[4]。

MC33035芯片内部结构框图如图6所示。引脚4、5、6用于接收转子位置信号，通过转子位置解码器等电路转换成控制信号，一部分用于控制三个集电极开路的高速驱动输出电路，另一部分用于控制三个图腾柱低速驱动输出电路。引脚10内部振荡器的频率可以通过RT、CT的值设定。引脚11输入一个电压信号，用于控制电机转速。下桥控制信号、锯齿波振荡频率、转速设定值共同在PWM比较器输出端生成PWM控制信号，用于控制图腾柱电路中的场效应管。芯片内部还包含限流电路，故障输出电路，具有温度补偿的6.25V内部基准电路。

图6 MC33035芯片内部结构框图

MC33039是由美国安森美生产的一款高性能的闭环速度控制芯片，专用于各种无刷直流电机控制系统中，无需专门的磁性或光学转速计就能完成精确的速度控制[5]。芯片内部结构框图如图7所示。

图7 MC33039芯片内部结构框图

芯片内包含三个数字信号边沿检测器、一个内部并联调节器、一个可编程单稳态以及一个输出变换器。输入端起缓冲作用的延时器可提高芯片抗干扰能力。MC33039的1、2、3引脚用于接收霍尔传感器生成的三个位置信号，经带有滞后的缓冲电路来抑制输入噪声，通过单稳态电路（RT、CT）设定内部时钟，再经或运算生成相当于电机每对极下的脉冲信号。5引脚输出的信号是位置信号经过F/V（频率/电压）变换生成的与电机转速成正比的脉冲信号。

4.2 逆变电路与电机驱动控制

逆变电路原理图如图8所示。上桥开关管选择三只 P-Channel MOSFET（IRF9Z34NL），下桥开关管选择三只N-Channel MOSFET（IRL520NS）。电机控制芯片MC33035上部三个集电极开路驱动器用于驱动三只P-Channel MOSFET，下部三个大电流图腾柱电路用于驱动三只N-Channel MOSFET。

电机驱动控制原理如图9所示，其中专用芯片MC33035、MC33039与六只MOSFET和霍尔位置传感器构成一个闭环系统，用于提供驱动时序和提供功率驱动[6]。

图8 逆变电路原理图

通过将电阻串联在三相绕组中，获取电机总的工作电流，将该电流值以电压的形式反馈至芯片内部，从而实现逐周期的电流保护，保护电机工作电流不超过设计值。

图9 基于MC33035、MC33039构建电机驱动控制原理图

4.3 控制板与实验平台

直流电机控制板如图10所示，对电机调速方式采用PWM脉宽调制。采用H-on_L-pwm调制方式（上桥开关管开启，下桥开关管脉冲宽度调制），此种斩波方式能够产生较小的换相转矩脉动[7]。

图10 无刷直流电机控制板

系统实验平台如图11所示，通过直流电源GPD-3303S为整个系统进行供电，实验控制板对电机进行控制。

图11 基于C8051F500、MC33035控制系统实验平台

整个控制系统以C8051F500单片机[8]为控制核心，根据无刷直流电机霍尔位置传感器反馈的位置信号实时检测电机的转速信息，并将实时转速值与设定转速值进行比较，其差值作为转速环的输入值。该输入值经过电机专用驱动芯片MC33035，专用控制芯片通过PWM方式调整定子电枢中的平均电压，从而将转速稳定在设定值。采用逐周期电流限制可有效防止电机过载运行导致过热损坏。监控每次输出开关导通时间内建立的定子电流实现逐周期电流限制，在检测到过电流时，立即关闭开关管，从而保护电机。

通过单片机P1.1引脚连接MC33035引脚3实现电机正反转控制。当P1.1引脚输出高电平时，电机正转，当输出为低电平时，电机反转。

通过单片机P1.2引脚连接MC33035引脚7实现电机启动/停止控制。当P1.2引脚输出高电平时，驱动输出电路正常工作，当输出为低电平时，高边驱动输出关闭，底边驱动强制为低电平，电机停转。使能控制可以实现电机平稳启动/停止控制功能。

通过单片机P1.3引脚连接MC33035引脚23实现电机制动控制。当P1.3引脚输出高电平时，电机进行能耗制动。芯片内部有一个四输入的或非门电路，当输出信号为制动信号和高边驱动输出信号时，待检测上桥驱动输出确实为高电平之后，低边三个低速驱动输出才为高电平状态，避免出现上、下桥同时导通烧毁开关管与电机的情况。紧急制动会产生较大的瞬态冲击，合理泄放存贮能量，保证安全。

当电机出现故障时，可通过MC33035引脚14输出一低电平，将该引脚连接一只发光二极管，作为故障指示灯。同时，控制系统能够实现检测电机转速、设定电机转速、正反转切换、使能、紧急制动、过流保护、欠压锁定、故障报警等功能。

4.4 PC机与单片机的通讯

上位机界面控制程序是人机交互界面，采用Microsoft Visual Studio 2005软件进行上位机程序的编写，上位机计算机（PC）与下位机单片机（MCU）进行串口通信，实现控制命令与反馈信号的传输。

图12为单片机与PC通信界面，当设定电机转速为220转/分时，电机实时转速如图13所示。

图12 单片机与PC机通信界面

5 结束语

使用C8051F500、MC33035与MC33039芯片控制的无刷直流电机闭环控制系统具有电路结构简单，可靠性高，稳定性好，成本低，抗干扰强等优点，适用于小功率无刷直流电机的控制。

图13 转速表转速显示