摘 要 本文通過以ATmega8單片機(jī)為核心，分析了無刷直流電機(jī)的原理，從硬件和軟件兩個(gè)方面闡述了無刷直流電機(jī)的電調(diào)的設(shè)計(jì)，其中硬件包含了電流的檢測、電機(jī)換相、電池電壓檢測、反電勢過零檢測，軟件主要完成了系統(tǒng)程序、場效應(yīng)管的自檢程序、反電勢檢測程序、以及PPM解碼程序。經(jīng)過測試該電調(diào)能夠滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。

【關(guān)鍵詞】ATmega8 無刷電機(jī) 電調(diào)

筆者在指導(dǎo)學(xué)生課外航模興趣小組的過程中，發(fā)現(xiàn)無刷直流電機(jī)電調(diào)的使用比較頻繁，而且很多成品電調(diào)不能滿足設(shè)計(jì)需要，所以指導(dǎo)學(xué)生完成了此電調(diào)的設(shè)計(jì)，該電調(diào)可以直接與無線遙控器相連，通過測試性能穩(wěn)定，以下是該電調(diào)設(shè)計(jì)中的原理和軟硬件系統(tǒng)。

1 無刷直流電機(jī)的原理

在點(diǎn)與磁的轉(zhuǎn)換過程中主要有三個(gè)基本原理，左手定則、右手定則、安培定則。左手定則用來判斷在磁場中載流導(dǎo)體的受力方向，右手定則用來判斷切割磁感線的導(dǎo)體產(chǎn)生的電流方向，安培定則用來判斷磁感線的環(huán)繞方向，無刷電機(jī)相關(guān)參數(shù)的判斷和程序的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)就是以上三個(gè)基本原理。

本系統(tǒng)電調(diào)的設(shè)計(jì)是基于外轉(zhuǎn)子無刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)的，該電機(jī)的KV值為1000，其采用的結(jié)構(gòu)是12繞組14極（即7對極）。電機(jī)換相的時(shí)機(jī)只取決于轉(zhuǎn)子的位置，在該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用的是三相的感生電動勢的方法來判斷定子的位置，該方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要在系統(tǒng)中增加相應(yīng)的器件，缺點(diǎn)是電機(jī)啟動時(shí)可控性較差。電機(jī)的調(diào)速是通過直流電壓來控制，單片機(jī)通過用PWM方式來控制電機(jī)的輸入電壓，通過PWM占空比的變化來轉(zhuǎn)換為不同大小的等效電壓。

2 電調(diào)硬件電路的設(shè)計(jì)

2.1 電流檢測電路

電流檢測部分應(yīng)用一段阻值大小為0.01歐姆的導(dǎo)線，經(jīng)過MOSFET和電機(jī)的電流全都從它那里經(jīng)過導(dǎo)線而流向GND，通過導(dǎo)線的電流和電阻的阻值相乘從而得到了產(chǎn)生的電壓值大小，經(jīng)過電阻和電容器進(jìn)行一階低通濾波，最后接入ATmega8的ADC6通道，通過對于電流值大小的判斷實(shí)現(xiàn)了對于電流值檢測功能。

2.2 換相控制電路

通過6個(gè)功率場效應(yīng)管和一些外圍電阻和三極管構(gòu)成了系統(tǒng)的三相六臂全橋電路，其中6個(gè)場效應(yīng)管中有3個(gè)是P型管，型號為IR公司的IRFR5305，3個(gè)是N型管，使用的型號是IR公司的IRFR1205。通過ATmega8的PWM信號來控制三相全橋上橋臂柵極的通斷，從而形成了一個(gè)方波進(jìn)行無刷電機(jī)的三相供電。通過ATmega8的I/O口直接控制下橋臂柵極驅(qū)動信號，具有導(dǎo)通與截止兩種狀態(tài)。通過對于場效應(yīng)管額定參數(shù)的判斷，當(dāng)柵極電壓為5V時(shí)，場效應(yīng)管允許的導(dǎo)通電流僅為25A左右，能夠滿足系統(tǒng)需求。

2.3 電池電壓檢測電路

通過一個(gè)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對于電池電壓的檢測。在該電路中電源采用的鋰電池接到VCC端，鋰電池負(fù)極接到該分壓網(wǎng)絡(luò)的接地端，ATmega8的ADC7通道接U_BAT端，高頻波紋的影響的消除通過電容實(shí)現(xiàn)。電池電壓變化，通過U_BAT端就能及時(shí)的判斷出來。

2.4 反電勢過零檢測電路

反電動勢檢測電路設(shè)計(jì)中，選擇4個(gè)點(diǎn)的電壓值進(jìn)行判斷，首先選擇一個(gè)中間點(diǎn)其標(biāo)注為N點(diǎn)，其余點(diǎn)分別為A、B、C三個(gè)的電壓，其中為了簡化電路的設(shè)計(jì)，打開ATmega8的復(fù)用功能，將A、B、C點(diǎn)通過一個(gè)分壓網(wǎng)絡(luò)輸入到ATmega8的AIN0引腳，其電壓的大小就是中間點(diǎn)電壓值N，然后將A、B、C三個(gè)點(diǎn)形成的負(fù)向輸入端可以根據(jù)ATmega8的ADC多工選擇寄存器的配置而選擇單片機(jī)的ADC0、ADC1、ADC2三個(gè)引腳，從而通過電壓值的比較判斷出各相的過零事件。

3 電調(diào)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 無刷電機(jī)啟動程序

系統(tǒng)加電啟動之后首先進(jìn)行電池電壓的檢測，延時(shí)2秒鐘，再一次的進(jìn)行電池電壓的檢測，當(dāng)電池電壓正常的時(shí)候，進(jìn)行系統(tǒng)控制信號的檢測，當(dāng)控制信號沒有時(shí)再一次進(jìn)行電池電壓的檢測。

3.2 MOSFET場效應(yīng)管的自檢程序

單片機(jī)初始化之后，需要進(jìn)行MOSFET場效應(yīng)管的自檢，首先打開A相的上臂的MOS管，打開B相，給三相六臂全橋驅(qū)動以較小的PWM值，然后系統(tǒng)充電30S，判斷系統(tǒng)是否獲得了穩(wěn)定的反向電動勢，如果獲得了則系統(tǒng)退出啟動程序，如果沒有獲得則換相通電14/15的上次通電時(shí)間，讓后充電30S，繼續(xù)判斷是否獲得了反向電動勢。

3.3 電機(jī)反電勢過零檢測啟動程序

電機(jī)反電勢過零的檢測需要將系統(tǒng)通電時(shí)間足夠長，然后進(jìn)行換相，在程序中給PWM賦值4，通過PWM信號值加1，通電時(shí)間減少同時(shí)三相六狀態(tài)輪詢，然后進(jìn)行電流檢測，當(dāng)電流檢測如果不正常，關(guān)閉場效應(yīng)管報(bào)警，系統(tǒng)顯示故障，電流檢測正常則進(jìn)行電機(jī)的第三相反電勢檢測，如果檢測不正常則循環(huán)到三相六狀態(tài)進(jìn)行輪詢，如果第三相反電勢檢測正常則電機(jī)啟動成功。

3.4 PPM解碼程序的設(shè)計(jì)

程序的設(shè)計(jì)通過ATmega8的定時(shí)器功能來實(shí)現(xiàn)，通過定時(shí)器T1的初始化設(shè)置上升沿觸發(fā)，捕捉中斷的功能開啟，指令信號的獲取是通過檢測給定頻率的PWM信號的占空比實(shí)現(xiàn)的。如果PPM信號頻率為50Hz，停轉(zhuǎn)時(shí)的脈寬值為1ms，最大值運(yùn)轉(zhuǎn)值為2ms，其間的各點(diǎn)按比例換算。

4 小結(jié)

本文實(shí)現(xiàn)了基于ATmega8的無刷直流電機(jī)電調(diào)的設(shè)計(jì)，硬件電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對于系統(tǒng)電流的檢測、電機(jī)換相的控制、電池電壓的檢測、反電勢過零的檢測，軟件的設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)了無刷電機(jī)的啟動程序，MOSFET場效應(yīng)管的自檢程序設(shè)計(jì)、電機(jī)反電勢過零檢測啟動程序設(shè)計(jì)、PPM解碼程序的設(shè)計(jì)。

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作者簡介

戚偉（1982-），男，碩士學(xué)位?，F(xiàn)為江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院徐州財(cái)經(jīng)分院講師。研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控。

作者單位

江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院徐州財(cái)經(jīng)分院 江蘇省徐州市 221008