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基于ATmega48的三相无刷电机控制方法

• 引言
  无刷直流电机以其重量轻，体积小，加速性能好，运行平稳，噪音低等优点而广泛用于丁业和民用产品中。无刷直流电机的功率因数高，无转子损耗，其转子转速能严格地与电源频率保持同步。转子磁场由永久磁铁产生。通常，采用电压源型脉宽调制(PWM)控制作为无刷直流电机调速系统用的驱动器。近年来，国外纷纷推出以单片机(MCU)为核心的单片电机控制器，它南一个MCU再配备外围驱动电路构成，能大大降低成本，缩小体积，紧凑结构，提高可靠性。在此，介绍r采用Atmega48单片机实现三相无刷直流电机控制器的方法。

  
  2 ATmega48单片机
  ATmega48单片机是Atmel公司基于自动电压调整器(Automatic Voltage Regulator，简称AVR)增强型精简指令集计算机(RISC)结构的低功耗8位CMOS微控制器。具有先进的指令集及单时钟周期指令执行时间，塑封电感器其数据吞吐率可以达到1 MIPS/MHz。AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。这些寄存器都直接与算术逻辑单元(ALU)相连接．可在一个时钟周期内通过一条指令同时访问两个独立的寄存器，因此可提高代码效率。
  ATmega48的硬件资源有：4 KB的系统内可编程Flash：256字节的EEPROM：512字节的SRAM；23个通用I／0口线；32个通用工作寄存器；2个带独立预分频器和比较器的8位定时器／计数器；1个带预分频器、比较器和捕捉功能的16位定时器/计数器；带独立振荡器的实时计数器；6个通道PwM；8路10位A／D转换器；6路10位A／D转换器；可编程的串行USART接口；可工作于主机／从机模式的SPI串行接口；面向字节的2线串行接口；独立片内振荡器的可编程看门狗定时器；片内模拟比较器及5种可通过软件选择的省电模式。ATmega48具有丰富的I／0口、A／D转换器、定时器／计数器、PWM通道等资源，为实现三相无刷直流电机的控制、换相检测等提供了方便。
  

  3 三相无刷电机的控制实现方法
  图1示出采用ATmega48单片机实现三相无刷电机控制器的原理图。图中，PC0、PCI和PC2为输入，用以接收来自电机U，V，W换相的霍尔传感器检测信号；PD5和PD6用于控制电机U相的功率驱动器件；PBl和PB2用于控制电机V相的功率驱动器件；PD3和PB3用于控制电机W相的功率电感生产厂家驱动器件；PC3为电机给定转速的输入电压。

  

  作为一种同步电机，直流无刷电机的转子转速受定子旋转磁场速度及转子极数的影响。当转子的极数固定时，只要改变定子的旋转磁场频率，即可改变转子的转速。直流无刷电机是一种控制定子的旋转磁场频率，并将电机转子转速回馈控制中心进行反复校正．以达到接近直流电机的特性。当负载变化时，它能在额定负载范围内控制电机的转子维持一定的转速。
  图2给出用于图1中的功率驱动电路。该驱动部分由上臂VQl，VQ3，VQ5和下臂VQ2，VQ4，VQ6的6个功率晶体管组成，用于连接电机作为控制流经电机绕组的开关。控制部分提供PWM，用于决定功率晶体管开关频率及换相的时刻。在控制直流无刷电机转速时隔离电感器．通常希望在负载变化时也能使电机转速稳定在设定值内，而不发生太大的波动。因此，在无刷电机内部设置霍尔传感器．以感应磁场变化，该传感器既可作为电机转速中闭环控制的速度反馈部件，也可作为相序控制的依据。

  

  当控制器工作时，可根据霍尔传感器检测到电机转子的当前位置，依照定子绕组决定开启或关闭功率晶体管的顺序，使电流依序流经电机线绕组，以产生顺向或逆向的旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，使电机顺时或逆时转动。当电机转子转动到霍尔传感器检测出另一组信号的位置时，再开启下一组功率晶体管，如此循环，电机就能依据同一方向继续转动，直到控制器决定使电机转子停止时，则关闭功率晶体管；决定使电机转子反向时，则开启功率晶体管，但顺序相反。PWM是决定电机转速快或慢的方式，如何产生PWM是实现准确控制速度的核心。
  图2中的开关器件采用MOSFET，它们是不能在关断瞬间切换的。如果UH和UL是反向信号，那么，在同一时刻，一个开关器件导通功率电感，另外一个开关器件截止。在这段过渡时期，会有一个短暂的时间，其中一个开关器件并未完全截止，而另一个也是导通的，这样会使电源与地直接连接，使得大电流流经晶体管。在工程应用中必须避免这种情况，因为若电路中没有必要的硬件保护，极有可能损坏驱动装置。因此，在控制电路中，每个PWM过渡期都应增加死区时间。要求在一个很小的时间内，上臂开关和下臂开关都不导通，即产生带死区的PWM模压电感器信号。

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