一种基于PIC16F877A的无刷直流电机控制器设计

得到充分的利用。三相全控电路采用6个功率器件控制绕组的导通方式，同一时刻至少有两相绕组导通，绕组得到充分利用，所以我们采用三相全控式电路。

在三相无刷直流电机全控式控制系统中，绕组导通方式常见的有两两导通方式和三三导通方式。采用在两两导通方式时，每个时刻都有不同桥臂的两个功率器件导通，定义流人绕组的电流产生的力矩方向为正Ta，则流出(另一个绕组)电流产生的力矩方向为负Ta，则它们的合成力矩为3Ta，如图2(a)所示。

采用在三三导通方式时，每个时刻都有不同桥臂的3个功率器件导通，相邻两次换相的电角度为600，功率器件导通的电角度为1 800。如果认定流入绕组的电流产生的力矩方向为正Ta，则流出(另一个绕组)电流产生的力矩方向为负Ta，则它们的合成力矩为1.5Ta，如图2(b)所示。

从上面的分析可以看出，对于三相Y接高压断路器无刷直流电机，为了获得较大的输出力矩，主回路通电方式采用两两导通方式更适合。

2 系统的硬件设计

2.1 硬件的结构

基于PIC16F877A的无刷直流电机控制系统硬件框图如图3所示，控制系统分为单片机最小系统、控制电路和控制对象三部分，其中单片机最小系统是指以PIC16F877A为核心包括电源模块、晶振\复位模块和外部扩展模块，控制电路包括光耦隔离电路、驱动\逆变电路、电流检测电路、转子位置检测和驱动保护电路，控制对象为永磁无刷直流电动机。PIC单片机最小系统为单片机提供工作所需的电源、时钟信号、复位信号、和存储器扩展。控制电路控制电动机绕组在合适的位置换相、驱动电动机持续运行，同时检测系统参数，保证系统可靠稳定运行。

2.2 转子位置检测电路设计

霍尔传感器的工作原理是半导体器件的霍尔效应，是无刷直流电机换相控制中应用较多的位置传感器。根据霍尔元件的特性不同分为线性霍尔元件和开关型霍尔元件，线性霍尔元件输出时一个和磁场成正比的连续信号，常用于连续量如位移等的测量，开关型霍尔元件的输出时一个根据磁场强弱而变化的高低电平信号，常用作无刷直流电机的位置传感器。根据控制系统实时性要求及安装方便，本控制器采用锁存型霍尔元件作为电机转子位置传感器。

根据电机内部电磁场分布，将3个霍尔传感器安装在霍尔盘上，相邻两个之间的夹角为60°。由于在电机内部不易安装霍尔盘及拆卸不方便，故将其安装在电机的外部，制作一个圆形磁钢模拟电机内部电磁场分布，霍尔元件的空间分布和输出特性如图4所示。当控制系统工作时，霍尔元件根据磁钢的位置输出高低电平，主控制芯片根据高低电平信号判断电机转子位置，调用内部程序输出正确的驱动信号，使电机开始动作。随之电机转角的变化，霍尔元件的输出也发生变化，主控芯片根据霍尔元件的高低电平来确定IGBT的导通顺序，使电机持续旋转。

2.3 IGBT驱动保护电路设计

根据系统需求，设计IGBT隔离驱动电路是功率驱动电路的关键。VLA517—01R是替代EXB841的快速型IGBT集成驱动芯片，整个电路延迟时间不超过1μs，最高工作频率达40～50 kHz，只需外部一个20 V电源供电，内部可产生一个正驱动电压及反向截止电压，模块内部含有过流保护和故障信号输出电路。EXB841输入端15和14管脚有10 mA的电流流过时，内部光耦导通，3脚输出驱动电压使IGBT导通，驱动信号截止，光耦截止，3脚输出反向电压使IGBT截止。本文所设计的IGBT驱动保护电路如图5所示。

3 软件设计

PIC单片机仿真器提供存储器和时钟，并能运行代码，即使没有与目标应用板相连。在开发和调试期间，ICE提供了最强大的能力来发挥系统的所有功能，这样允许用户对应用方便地进行测试、调试和再编程。控制器硬件电路设计完成以后，接下来是软件编制工作。在软件设计过程中，一般首先根据实际情况理清程序的运行过程，在结合硬件电路的特点设计出软件的流程图。在具体程序设计中，一般先把要用到的中断进行定义和把变量定义到RAM中等，然后定义各个子函数，再编写各个子函数，最后进行调试。

软件程序是系统的灵魂，本文所设计的控制系统软件程序由系统主程序、中断服务子程序、速度检测子程序和故障保护子程序组成。主程序中设定了系统的中断信号由PIC单片机的事件管理器T2定时器的周期中断来触发，当T2周期匹配时，调用中断服务子程序，通过速度检测子程序将检测量作为反馈值与设定的速度值比较，调节PWM的占空比，实现电机速度的调节。故障保护子程序检测系统的电压、电流和温度，与给定安全值进行比较，当发成故障时，发出错误警报并封锁控制信号输出，实现对控制系统的保护