1、无刷直流电机控制器设计方案贾文君博林特电梯研发中心2008 年 7 月 21 日目 录1无刷直流电机工作原理 .12关键技术 .22.1 换相控制 22.2 速度闭环控制 33主要器件选型 .33.1 主控芯片 .33.2 功率模块 .43.3 转子旋转位置传感器 .54控制器硬件设计 .64.1 电源 74.2 IPM 功率模块 .84.3 LCD 接口 84.4 MCU 接口 .94.5 SCI 接口 95控制器软件设计 .106用于门机的 BLDC 控制特殊 设计 116.1 门机控制模式 .116.2 开关门过程 .116.3 门宽自学习 .13参考设计： 13门机控制器设计方案11无
2、刷直流电机工作原理无刷直流（BLDC）电机是内外倒置的直流 电机。一般的直流电机定子是永磁体。转子上有绕组，对绕组通电，通过使用换向器和电刷将转子中的电 流反向来产生旋转的或运动的电场。而与此相反，在 BLDC 电机中绕组在定子上而转子是永磁体。图 1 所示为无刷直流电机实物图片。图 1 无刷直流电机实物图片为了使 BLDC 转子转动，必须施加旋转磁场。三相 BLDC 电机具有 3 相定子，同一时刻应使两相通电，以产生旋转电场 ，但 为了防止永磁体转子被定子 锁住，在获得转子磁体精确位置的前提下，必须以特定的方式按 顺序为定子通电。 转子的位置信息通常由霍 尔传感器检测转子磁体位置获得，也可采
3、用 轴角编码器方式获得，通 过换 相驱动与定子绕组连接的各功率开关管的导通与关断，从而控制定子 绕组的通断电，在定子上产生旋转磁场，拖动转子旋转。随着转子的转动，位置传感器不断地送出信号，改变定子绕组的通电状态，使得在同一磁极下的导体中的电流方向不变，就可 产生恒定的转矩使无刷直流 电动机转起来。三相BLDC 电 机驱动控制示意图如 图 2 所示。 为了使 BLDC 电机的速度可调，还必须在两相绕组的两端加上可变电压。通过改 变加在 BLDC 电机绕组上 PWM 信号的占空比就可以获得可变电压。一般电机控制芯片都具有六路 PWM 信号驱动输 出，用于控制 IGBT 或 MOSFET开关，可以将
4、三相绕组驱动为 高电平、低 电平或截止。门机控制器设计方案2图 2 三相 BLDC 电机驱动控制示意图2关键技术2.1 换相控制BLDC 电机位置传感器输出转 子位置信号， 经过控制电路以及驱动电路后，功率开关管导通在两相绕组间形成定子磁场，定子磁 场和转子磁场相互作用使 转子转动。在 60o电角度范围内转子磁场连续转动，而定子磁 场在空间保持不动，只有当转子转过 60o电角度时，定子磁场跳跃变化，每个步进角是 60o电角度。 转子每转过 60 电角度，逆变器功率开关就进行一次换相，定子磁场状态就改 变一次。 电机在 360o电角度内有 6 个磁状态，每一状态对应两相绕组导通，并且每相绕组流
5、过电流的时间相当于转子旋 转 120o电角度，功率开关管的 导通角为 120o 电角度。功率开关的导通逻辑与 HALL 换相信号的 对应关系如图 3 所示。表 1-1、1-2 分 别为电机顺时针旋转和逆时针旋转时的相交换时序。图 3 BLDC 交换控制信号表 1-1 顺时针旋转交换序列Hall Sensor Inputs IGBT SchemeHall Sensor A Hall Sensor B Hall Sensor C Phase A Phase B Phase C1 1 0 +Vdc NC -Vdc1 0 0 +Vdc -Vdc NC1 0 1 NC -Vdc +Vdc0 0 1 -V
6、dc NC +Vdc门机控制器设计方案30 1 1 -Vdc +Vdc NC0 1 0 NC +Vdc -Vdc表 1-2 逆时针旋转交换序列Hall Sensor Inputs IGBT SchemeHall Sensor A Hall Sensor B Hall Sensor C Phase A Phase B Phase C1 1 0 +Vdc NC -Vdc1 0 0 +Vdc -Vdc NC1 0 1 NC -Vdc +Vdc0 0 1 -Vdc NC +Vdc0 1 1 -Vdc +Vdc NC0 1 0 NC +Vdc -Vdc2.2 速度闭环控制为了实现对 BLDC 电机转速的
7、 闭环控制，采用如 图 4 所示的控制系统，MCU 负责处理采集到的数据和发送控制命令，主要 实现 PWM 脉宽调制、速度检测、换相控制以及速度的PI 控制等功能。通过 MCU 的输入捕获端口捕捉 BLDC 电动 机转子位置传感器上的脉冲信号，判断转子的位置，由换相控制输出合适的驱动逻辑电平控制功率开关 IGBT 或 MOSFET的导通和截止，再由功率驱动电 路驱动电机旋转。 MCU 根据 电机的设定速度，采用 PI 控制算法产生适当占空比的 PWM 脉宽调制信号控制电机的转速。换相控制保证了功率开关在一个信号周期内 1200 的导通， 换相的次数由 MCU 检测到的 换相信号决定。速度反 馈
8、值由MCU 对换相信号的脉冲宽度进行捕捉和定时得到。图 4 带 位置传感器的 BLDC 电机速度闭环控制原理图门机控制器设计方案43主要器件选型3.1 主控芯片主控芯片采用 Freescale（原 Motorola 半导体事业部）MC68HC908MR16 的 64 引脚 8 位单片机。MC68HC908MR 系列芯片是专为交流感应电机、无刷直流电机等设计的，它采用M68HC08 结构，并集成了多种功能模块，主要包括： 12 位 6 通道脉宽调制模块 PWMMC；串行外围接口模块 SPI；串行通 讯模块 SCI；16 位定时器模块 ；10 位模数转换模块等。芯片封装如图 5 所示。应用程序开发
9、软件采用 Metrowerks 公司的软件产品 CodeWarrior，它是 专门面向Freescale 所有的 MCU 与 DSP 嵌入式应用、跨平台的 软件工具，是 Freescale 向用户的推荐产品。CodeWarrior for HCS08 是面向以 HC08 或 S08 为 CPU 的单片机嵌入式应用开发的软件包，包括集成环境 IDE、处 理器专家库、全芯片仿真、可视化参数显示工具、项目工程管理器、C 交叉 编译 器、汇编器、链接器以及调试器，可以完成从源代码编辑、 编译到调试的全部工作。图 5 64 引脚封装的 MC908MR16CFUE3.2 功率模块无刷直流电动机电子驱动电路
10、用来控制电动机定子上各相绕组通电的顺序，主要由功率开关单元和位置传感器信号处理单元两部分组成。功率开关单元是控制电路的核心，其功能是将电源功率以一定的逻辑关系给电动机定子各相绕组在一定时刻通以一定时间的恒定电流，以便与转子永磁磁场相互作用 产生持续不断的恒定 转矩。各相 绕组通电顺序、通电时刻和通电时间长短取决于转子磁极与定子绕组空间的相对位置，传统的无刷直流电机通过门机控制器设计方案5位置传感器来获得转子位置信号，并 经过逻辑处理，功率放大后形成逆变器的触发信号，再去控制定子绕组的通断，实现换 相。逆 变器的结构有半桥和 桥式两种，但多采用桥式结构，对于三相无刷直流电机来说，其三相 桥式逆变
11、器和普通的三相直一交逆 变器结构十分相似，但各桥臂元件一般只在一个输出频率周期内开、关一次。本设计采用三菱 PS21563 型智能功率模块（IPM）如图 6 所示，其额定电压 600V，额定电流 10A，适用于 0.4Kw/220VAC 的电机。PS21563 内置了 6 单元 IGBT，3 相输出；采用了第 5 代 IGBT 工艺，内置优 化的栅级驱动和过流保护、欠压保护电路，具有体积小、 输出功率大的优点。图 6 三菱 PS21563 型 IPM 模块实物端子说明：1：VUFS（U 组驱动电源地） 14:UN（U 组下桥信号输入）2：VUFB（U 组驱动电 源正极） 15:VN（V 组下桥
12、信号输入）3：VP1（控制电源正极） 16:WN（W 组下桥信号输入）4：UP（U 组信号 输入） 17:FO（故障输出）5：VVFS（V 组驱动电源地） 18:CFO（故障脉宽定时端子）6：VVFB（V 组驱动电 源正极） 19:CIN（短路电压采样）7：VP1（控制电源正极） 20:VNC（下桥控制电源地）8：VP（V 组信号 输入） 21:VN1（下桥控制电压正极）9：VWFS（W 组驱动电源地） 22:P（直流母线正极）10：VWFB(W 组驱动电源正极) 23:U（U 组输出）11：Vp1（控制电源正极） 24:V（V 组输出）12：Wp（W 组信号输入） 25:W（W 组输出）13
13、:VNO（与端子 N 连接） 26:N（直流母线地）3.3 转子旋转位置传感器位置传感器在无刷直流电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为功率开关电路提供正确的换向信息，即将转子磁 钢磁极的位置信号转换成电 信号，然后去控制定子 绕组换向。电动机的位置传感器有很多种，常用的主要有电磁式、磁敏式、光电式等。电磁式位置传感器输出信号幅值较大、工作可靠、寿命长，一般不需要经过放大便可以直接驱动开关管，并且对环境要求不高，但是它的信噪比较低、体 积较大；光电 式位置传感器性能比较稳定、轻便门机控制器设计方案6可靠、安装精度高、调整方便，应用较为广泛，价格也相 对较高；磁敏式位置传感器是某些电参数按一定规
14、律随周围磁场变化的半导体敏感元件，其基本原理为霍尔效应和磁阻效应，目前霍尔位置传感器应用最为广泛。 图 7 所示为基于霍尔效 应的奥地利微电子公司出品的AS5040 型无接触式磁旋转编码器。图 7 AS5040 和磁铁的典型配置根据无刷直流电机换相控制的需要，我 们选用 AS5040 型无接触式磁旋 转编码器，它可以精确测量整个 360内的角度，并且可以为无刷直流电动机提供换向信号。此产品是一个片上系统，在单个封装内整合了集成式 Hall 元件、模 拟前端和数据信号处理功能。 测量角度时，只需简单地配备 1 个在芯片中心上方旋转的双极磁铁即可。磁铁可以安装在 IC 的上方或下方。这种绝对角度测
15、量方式可即 时指示磁铁的角位置，其分辨率达到 0.35，即每圈 1024 个位置，可以同时提供绝对值串行 输出、增量 输出和 PWM 输 出。PWM 信号与角度对应关系如图 8 所示。PWM 的频率经过 内部调节，精度可达 5%（在整个温度范 围内为10%）。通 过计算占空比，可以消除这种容限 误差，其占空比与所 测得的角度 成正比：Positn1)(025ofntPosit图 8 AS5040 输出 PWM 信号4控制器硬件设计控制器硬件主要包括逆变板和控制板两个主要部分，二者相 对独立，主要通 过线缆进行连接。逆变板将单项 220VAC 转变为三相直流，用于 驱动 BLDC 电机，同时为单
16、片机（MCU）门机控制器设计方案7和 IPM 功率模块等器件提供 5V、12V、15V 直流供电电压；控制板的功能主要是实现电机转速的闭环控制，并可根据指令要求按参考曲线对 BLDC 电机进行调速，以满足电梯门机的控制性能指标要求。逆变板主要包括：电源、IPM 功率模块、 传感器接口等电路 单元；控制板主要包括：MCU及外围接口、LCD 接口、按键、 输入输出隔离、SCI 接口等电路单元。4.1 电源BLDC 电机供电的直流电源由 50Hz 工频交流电经全波整流得到的直流电，送入三相逆变电路，作为 BLDC 电机的供电电源，整流电路如图 9 所示。由于公共电网上的交流电存在干扰，因此在相线与零
17、线之间 并接一压敏电阻，当 电压在极短的 时间内上升到一个很高的电压阀值时，压敏电阻的阻值变 小，以旁路可能影响系 统的瞬 时过电压，实现过压保护；同时在零线上串接一 7A 的保险丝，实现过流保护。电源相线和零线与地线之间跨接的陶瓷电容用来消除共模干扰。为了消除电源接通瞬间冲击电流的影响，使用热敏 电阻用来延长电解电容的充 电时间；当切断电源瞬间， 电解电容可能充电饱和，与电容并联 的泄流电阻的作用是将电容上的 电荷释放到接地端，降低了潜在风险。VdcC?22nF/400VC?22nF/400VR?GNR10D471KF?7A1234D?GBJ25M R?150k/1WC?22nF/400V+
18、C?560uF/400V123J?CON3RT?NTC-CL40图 9 整流电路原理图驱动和控制电路电源的性能直接决定着系统工作的稳定性和可靠性，因此在本设计中使用了较多的开关稳压器件。 MCU、继电器、IPM 功率模块等的供电电压分别为 5V、12V和 15V，这些直流电源首先由变压器的次级直接输出两路标准的 18VAC 电源，整流后分别接 LM7812 和 LM7815 分别产生一路 12V 和一路 15V 直流 电压源。 12V 电压直接为继电器供电，并经 DC-DC 模块，输出另外两路互相隔离的 5V 电压，分别为 MCU 和传感器接口电路供电，设计原理图如图 10 所示； 15V 电
19、压经四个 DC-DC 模块分别输出 4 路互相隔离的 15电压，主要为 IPM 功率模块供 电， 15V 电压经 LM7805 线 性稳压模块，得到另外一路 5V 电压，主要为高速光耦供电，设计原理图如图 11 所示。在上述线性稳压模块和开关稳压模块的输入和输出端均接有滤波电容，以使输出直流电压稳定在一定的纹波范围以内。门机控制器设计方案81234D?BRIDGE2+C?470uF/25V C?0.1uF/50VVin1GND2Vout 3U?LM7812+C?470uF/10V C?0.1uF/16V C?0.1uF+5V5VGNDVi+1Vi-2Vo+ 3Vo- 4U?B1205LS/D-
20、1W+C?470uF/25V C?0.1uF/25V12VGND+12VVCCVi+1Vi-2Vo+ 3Vo- 4U?B1205LS/D-1W+C?470uF/25V C?0.1uF/25V图 10 直流电源设计 11234D?BRIDGE2+C?470uF/25V C?0.1uF/50VVin1GND2Vout 3U?LM7815+C?470uF/25V C?0.1uF/25VVin1GND2Vout 3U?LM7805+C?470uF/10V C?0.1uF/16V C?0.1uFVi+1Vi-2Vo+ 3Vo- 4U?B1515S/1W+C?470uF/25V C?0.1uF/25VVi
21、+1Vi-2Vo+ 3Vo- 4U?B1515S/1W+C?470uF/25V C?0.1uF/25VVi+1Vi-2Vo+ 3Vo- 4U?B1515S/1W+C?470uF/25V C?0.1uF/25VV5+VUFSVVFSVWFSVUFBVVFBVWFBVi+1Vi-2Vo+ 3Vo- 4U?B1515S/1W+C?470uF/25V C?0.1uF/25VVNCVP1图 11 直流电源设计 24.2 IPM 功率模 块IPM 功率模块的接口电路设计参照三菱“DIP-IPM 应用技 术资料” 进行设计，具体 设计说明从略，设计原理图见图 12。门机控制器设计方案9VUFS1VUFB2V
22、P13UP4VVFS5VVFB6VP17VP8VWFS9VWFB10VP111WP12VNO13UN14VN15WN16FO17CFO18CIN19NUVWPVNC20VN121U?PS21563VUFSVUFBVP1UP VVFSVVFBVP1VP VWFSVWFBVP1WP VNOUNVNWNFOCFOCINVNCVP1C?22nF/50VR?22mUVWD?28V/1W + C?100uF/50V C?1uFVP1VNCC?1uF/50V C?1uF/50VC?1uF/50V C?1nF/50VR?1.8kCINVNOC?1uF/50V图 12 IPM 功率模块及外围电路设计4.3 LC
23、D 接口本设计选用的 LCD 是 1602 型液晶模块，它是一种用 5x7 点阵图形来显示字符的液晶显示器，可以显示 2 行 16 个字。数据引脚 D0D7 分别与 MCU 的 PTB0PTB7 端口相连，控制引脚 RS、R/W、E 分别与 PTC2PTC4 端口相连，接口电路设计原理如图 13 所示。LCD-ELCD-RS12345678910111213141516J?LCDD0D1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7VCCR?10kR?20kLCD-R/W图 13 LCD 接口电路设计4.4 MCU 接口MCU 接口电路主要包括电源、外接晶振、复位按键等外围电路，如图
24、 14 所示。具体设计参考自“MC68HC908MR16 Data Sheet”。门机控制器设计方案10C?0.47uF/10VVCCVCCC?0.1uFVCCR?10kC?0.1uFS?C?0.02uFY?4MHzR?10MC?15pFC?15pFPTB2/ATD21 PTB3/ATD32PTB4/ATD43 PTB5/ATD54PTB6/ATD65 PTB7/ATD76PTC0/ATD87 PTC1/ATD98VDDAD9 VSSAD10VREFL11 VREFH12PTC213 PTC314PTC415 PTC516PTC617 PTD0/FAULT118PTD1/FAULT219 PT
25、D2/FAULT320PTD3/FAULT421 PTD4/IS122PTD5/IS223 PTD6/IS324PWM125 PWM226PWM327 PWM428PWMGND29 PWM530PWM631 PTE0/TCLKB32 PTE1/TCH0B 33PTE2/TCH1B 34PTE3/TCLKA35PTE4/TCH0A 36PTE5/TCH1A 37PTE6/TCH2A38PTE7/TCH3A 39VDD 40VSS41PTF0/SPSCK 42PTF1/SS 43PTF2/MOSI44PTF3/MISO 45PTF4/RxD 46PTF5/TxD47IRQ 48RST 49VDDA
26、50CGMXFC 51OSC1 52OSC253VSSA 54PTA0 55PTA156PTA2 57PTA3 58PTA459PTA5 60PTA6 61PTA762PTB0/ATD0 63PTB1/ATD1 64U?MC68HC908MR16VCC C?0.1uF图 14 MCU 接口外围接口电路设计4.5 SCI 接口由于 MCU 的供电电压是 5V 直流，而串行通讯端口是 RS232 电平，通讯电平采用RS232 电 气特性是为了提高通讯的抗干扰能力，但 MCU 和串行接口之间要进行电平转换。电平转换采用 MAX232 集成芯片，在 5V 供电电压和适当 连接的电容，可以产生12V 通
27、讯电平。具体设计电路如图 15 所示。162738495J?DB9C1+1 C1-3C2+4 C2-5T1IN11 T2IN10R1IN 13R2IN 8R2OUT9 R1OUT12T2OUT 7T1OUT14Vs+ 2Vs- 6Vcc 16GND 15U?MAX232C?0.1uFC?0.1uF C?0.1uFC?0.1uFC?0.1uFVCCRxDTxD图 15 SCI 接口电路设计5控制器软件设计控制器软件的主要数据流程如图 16 所示。用 户通过人机接口（ LCD 和 KEY）对控制器运行参数和速度参考曲线进行设定， PI 速度控制器根据参考速度和 测量速度的偏差计算PWM 脉 宽调制
28、信号的占空比，作 为控制量对电机进行调速控制。电机转子的转向和转角采用中断处理的方式对 AS5040 输出的 PWM 角度信号进行沿捕捉，判断转子的旋转方向用于速度 计算， 转角用于对 IGBT 功率开关进行交换控制。门机控制器设计方案11用户接口（ L C D 和 K E Y ）P I 速度控制器P W M 脉宽调制 I G B T 交换控制速度计算脉宽测量 位置传感器沿捕捉中断驱动 B L D C 电机参考速度转向转角测量速度转角计算图 16 软件数据流程图6用于门机的 BLDC 控制特殊 设计6.1 门机控制模式根据设计要求，所设计的控制器使用行程开关 组作为位置 检测开关。行程开关 组
29、由安装在电梯门导轨上的 4 个磁性霍尔传感器组成的，分 别用来 检测开门到位、关 门到位以及电梯门执行动作过程中的两个速度的切换点， 门机控制器接收行程开关反 馈回的开关量，从而判断电梯门当前的所在位置状态，从而控制 电动机的转速和方向。门机控制系统的基本输入信号和输出数字信号如图 17 所示。门机控制器设计方案12门机控制器开门指令信号关门指令信号开门到位信号关门到位信号开门减速信号关门减速信号开门到位继电器输出关门到位继电器输出开故障继电器输出M图 17 控制器基本输入输出数字信号量6.2 开关门过程电梯门具有开关迅速的特点， 为了避免电梯门在开门和关 门时发生冲撞，要求 电梯门机应按理想
30、速度曲线自动调节开关门过程中运行的速度。 门 机理想运行曲线如图 18 所示，按速度分区为：开门力矩保持区 A0，关门低速区 A1，关门加速区 A2，关门高速区 A3，关门减速区 A4，关门末段低速区 A5，关门力矩保持区 A6，开门低速及加速区 A7，开门高速区A8，开门减速区 A9，开门末段低速区 A10。高速时的过渡曲线为光滑的 S 形曲线。X1X4为行程开关，安装在电梯门的 导轨上，控制器根据开关反 馈 回来电梯门位置信号，控制电机转速。在开门和关门过程中的 X1X4 的电平变化时序如图 19、20 所示。A3、A8 占整个关门或开门行程的 70%以上，其余区段均为缓冲行程，主要目的就
31、是为了门机启动和停止时平稳。为了安全起见，防止关门时夹 人， 设计关门平均速度低于开 门平均速度，并且对开门宽度的 80%8%范围内的关门动作进行力矩监控，若超 过了最大允 许关门力矩，则轿门停止运行，自动转为执行开门过程，待门开到位后再次自动重新关 门。力矩保持区的目的是对门开或关到位后，使电机输出很小的 转矩，防止 轿门被轻易扒开而 发生危险。门关到（）速度0 1 0 0 A 0A 1 A 2 A 3 A 4 A 5A 6A 7A 8A 9A 1 0X 1 X 2 X 3 X 4关门开门图 18 门机开关门运行曲线图门机控制器设计方案130 1 0 0 X 1X 2X 3X 4图 19 关
32、门行程开关时序图0 1 0 0 X 1X 2X 3X 4图 20 开门行程开关时序图6.3 门宽自学习门宽自学习主要是对电梯门门宽进行自学习。在开关 门的运行 过程中， 门宽参数用于计算运行曲线所需要的位置值，即：低速 结束点、高速 结束点、加速起始点和减速起始点。门宽参数自学习的工作过程为：在门机控制系统完成初始化后，用户通过人机交互菜单选择门宽学习功能，控制器首先驱动门 机将门慢速关闭，然后将 门宽 参数清零；驱动电机将门慢速打开，这一速度是软件编程时预 先设定的， 电机转子转动过程中位置 传感器输出的脉冲信号对应一个固定长度；当门完全打开时，则门停止移动，此 时没有新的脉冲 输入，延时一
33、段时间后，脉冲计数器计数值就代表了门宽参数。完整的自学过程有四个工作状态，即：慢速关 门、 门关到位、慢速开门和门开到位。通过运行一次完整的关门过程后，复 检门宽参数是否正确，系 统 的正常运行就按照这一门宽参数来运行。门宽参数是开关门运行的关 键参数，决定开关 门运行曲 线的形状，需要将该参数长期可靠存储。门机控制器设计方案14参考设计：1 DIP-IPM 应用技术资料 Version 3 三菱电机株式会社.2 AS5040 数据资料 Revision 1.7 奥地利微电子.3 MC68HC908MR16 Data Sheet. Freescale Semiconductor.4 3-Pha
34、se BLDC Drive Control with Hall Sensors Reference Design. Freescale Semiconductor.5 Implementing Embedded Speed Control for Brushless DC Motors. Renesas Technology America, Inc.6 Brushless DC (BLDC) Motor Fundamentals. Microchip Technology Inc.7 DSP Solutions for BLDC Motors. Texas Instruments Europe.
