自流无刷电机调速

1、基于pic16f877a单片机的永磁无刷直流电机调速系统研究来源:;(2010-03-18)摘要: 本文设计的基于pic16f877a单片机的永磁无刷直流电机调速系统，充分利用了pic单片机丰富的片内资源，高效的运算处理能力，及便捷的pwm功能，pwm信号完全由软件实现，大大简化了硬件结构。系统总体设计遵循了可靠、简单、实用的原则，本系统设计对电机控制领域实际的产品设计有一定的帮助。引言近年来，随着电机调速技术的发展，逐渐形成了由无刷结构代替有刷结构、由数字控制代替模拟控制的局面。永磁无刷直流电机(pm-bldc)，不仅具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便的特点，而且具备直流电机那样良好的

2、调速特性和无机械式换向器，而且反馈装置简单，输出转矩大，可以使电动机和逆变器得到更充分的应用。因此，永磁无刷直流电机在各个领域得到了广泛的应用。在电机的数字调速控制中，选择高效可靠的控制单片机将使控制系统的硬件电路简单可靠、软件编制方便，系统整体性能得以提高。pic单片机更好地适应了复杂的电机数字控制的工业需求，对较廉价的直流无刷电机、交流异步电机或开关磁阻电机为控制对象，更有效地利用了pic单片机的高性能，特别是pic16f877a单片机还具备脉冲宽度调制（pwm）输出，实现直流电机调速特别方便快捷。本文介绍的就是用pic16f877a单片机对永磁无刷直流电机的控制。1 pic16f877a

3、单片机功能简介pic16f877a单片机内部有8k*14的flash程序存储器和512字的ram数据存储器；不仅采用哈佛体系结构，而且还采用哈佛总线结构，流水线操作，pic16f877a大大提高了指令执行速度，pic单片机的系统时钟可以工作在dc-20mhz的频率范围之内，优化的cpu结构，加上精简指令集（risc）技术，更加快了指令执行速度，这为复杂控制算法的实现提供了良好的条件。pic16f877a单片机具有5个输入/输出端口，特别需要指出的是单片机内置了两个ccp模块，即输入捕捉、输出比较、脉宽调制模块。本系统就是利用了pic单片机此脉宽调制模块输出脉宽可调的信号，实现直流电机调速。2

4、基于pic16f877a单片机的电机控制系统方案2.1控制系统的硬件构成系统主要由、存储器扩展模块、驱动放大电路、bldc电机、电流检测装置和光盘编码器组成，其构成原理如图1所示。当pic单片机接收到参考输入(转角和角速度)，将其转换为pwm输出，经过驱动放大送给电机，产生输出。通过电流检测装置检测相电流，完成过流保护；光盘编码器检测电机的转动方向及转角，反馈回pic单片机，形成闭环控制，实时有效地控制运动精度。2.2无刷直流电机控制方案对于中低速运行的无刷直流电机，可忽略绕组的电感，不考虑绕组换向过渡过程和电枢反应，只计各物理量对时间的平均值，可以得到简化方程:在恒定电源电压，稳态情况下，运

5、动方程式可以简化为:方程式(3)说明，bldc电机的机械特性(转矩-转速特性)、转矩-电流特性是线性的。由此可以设计出bldc电机的速度与电流环控制回路，电机控制原理如图2所示。2.2 位置与角速度检测回路电机轴上的光盘编码器产生正交编码脉冲，这个正交编码脉冲包含两个脉冲序列cp1和cp2，有变化的频率和四分之一周期(90°)的固定相位偏移。pic单片机接收到正交编码脉冲后，进行解码和计数，原理见图3。具体说来，就是通过检测两个序列中哪个序列领先，可以测出电机的正反转；并据此对捕获的信号进行加减计数，从而得到当前的计数值和计数方向，即电机的角位移和转向。电机的角速度可以通过脉冲的频率

6、测出。3 pic工作于脉宽调制模式的软件设计pic单片机输出的pwm信号实际上是频率与脉宽随时可调的方波信号，pwm功能所用的时基是tmr2。3.1脉宽调制模式相关的寄存器与ccp模块的pwm模式及时基tmr2有关的寄存器共有15个，在此，就ccp1工作于pwm模式下，所涉及的一些位进行介绍，详见表1。ccp1控制寄存器ccp1con的低4位（ccp1m3：ccp1m0）置11xx使ccp1工作于pwm模式，高4位的后半字节（ccp1x和 ccp1y）作为脉宽调制寄存器的低2位；第一外设中断标志寄存器pir1的位1（tmr2if）为定时器2的溢出中断标志位，第一外设中断屏蔽寄存器pie1的位1

7、（tmr2ie）为定时器2的溢出中断允许位；输入输出端口rc口方向寄存器trisc的位2（trisc2），设置ccp1为输出（trisc2置0）；tmr2控制寄存器t2con的位6-位3（toutps3：toutps0）为tmr2选择位；t1con的位2 （tmr2on）为tmr2使能控制位，t1con的位1和位0（t2ckps1和t2ckps0）为tmr2预分频器分频比选择位；另外，还有中断控制寄存器intcon的位7（gie）为全局中断总使能位，置1允许cpu响应所有中断，intcon的位6（peie）为外设中断屏蔽位，置1允许cpu响应第二级的中断（ccp1为第二级中断）。3.2 pwm

8、输出信号周期（频率）的确定pwm信号的周期可以通过向pr2寄存器写入数值来随时确定或改变。pwm输出信号周期计算公式为：3.3 pwm输出信号脉冲宽度的确定pwm信号的脉冲宽度可以通过向10位脉宽寄存器写数据，设置pwm信号的脉冲宽度预定值，其分辨率高达10位。pwm信号的脉冲宽度的计算公式：pwm脉宽 = dc1* tmr2预分频数dc1的高8位为寄存器ccpr1l的值，低2位为寄存器ccp1con中的位5和位4，为系统时钟周期，tmr2预分频数可以是1、4、16。3.4 脉冲宽度调制（pwm）应用时的软件设计pic单片机工作于pwm模式时，软件设计步骤如下：（1）向周期寄存器pr2中写入设定值，以确定pwm信号周期；（2）向寄存器ccpr1l和控制寄存器ccp1con的d5和d4中写入设定值，以确定pwm信号脉宽；（3）将rc2/ccp1引脚设定为输出状态；（4）定时器tmr2的设置通过对控制寄存器t2con的写入，以设定预分频器分频比和启用定时器tmr2，如有必要可同时设定后分频器分频比；（