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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测出。3 P
6、IC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（TMR2I
7、E）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输出信号周期
8、（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；（5）通过写入控制寄存器CCP1CON的低4位，设定CCP1模块工作在PWM模式。4 结论本文简要介绍了PIC16F877A单片机的基本性能，又以永磁无刷直流电机为控制的对象，分析了PIC16F877A单片机在电机控制中的应用，并给出了硬件设计方案、软件策略及最后结论。