使用内部霍尔传感器的无刷直流电机的速度和位置控制硬件设计外文翻译资料

使用内部霍尔传感器的无刷直流电机的速度和位置控制硬件设计

摘要：在这项研究中，设计了一种通过从电机内部的霍尔传感器获取反馈数据来控制齿轮箱轴的速度和角位置的硬件，它连接到一个转速最高速度为3000转的无刷直流电机（BLCDM），并且无刷直流电机的减速比为10：1。使用微控制器处理反馈并将数据通过用户的通用同步/异步串行接收/发送器（USART）反馈控制电机驱动使其达到目标角位置。通过同时处理相同的霍尔反馈数据，也可以控制电机的速度。该系统可用于替换在精度要求较低的行业内的那些昂贵的伺服电机，如盒子拾取和放置。同样的该系统可以替代步进电机，因为该系统可进行数据反馈，所以能实现更准确的位置控制。

关键字：无刷直流；霍尔传感器；USART；伺服

1．介绍

现在的无刷直流电机由于它们的坚固性、耐用性和高效率所以人们更喜欢使用它。这篇文章介绍了无刷直流电机驱动器的硬件电路设计，无刷直流电机的速度控制以及借助连接到无刷直流电机内部霍尔传感器达到对齿轮轴的位置控制。位置控制是通过使用了霍尔传感器的PID（比例、积分、微分的简称）控制以实现精确的位置控制传感器。在这种情况下，霍尔传感器相当于一个位置传感器，以此获得转子的准确的位置信息。

2. 基本的无刷直流电机驱动器的构造

2.1 无刷直流电机驱动功能块

无刷直流电机由于没有电刷可用于换向，因此在无刷直流电机中用于换向的器件为三相变频器。这个三相变频器包含的了三个用于低位端的N沟道MOSFET和三个用于高位端的P沟道MOSFET。

同时一个微控制器用于读取霍尔传感器和开关的状态以及MOSFET导通或关闭，以在不同的状况下可分别激发不同的绕组。通过将永磁体放在无刷直流电机的转子上，霍尔传感器能检测并提供有关转子位置的信息。实验中使用的用MOSFET控制的电机状态序列所具有相应的霍尔传感器输出如表1所示。

每个独特的霍尔传感器输出组可以称为步。每个激励步骤后，电机轴向前移动，使得转子永磁体位置发生变化，从而产生新的霍尔信号。这个过程导致连续转子运动。图1显示了电机的框图结构。

图1 电机框图结构

表1

2.2驱动电路的工作方式

2.2.1MOSFET三相逆变器：

MOSFET三相逆变器在电机框图结构中用作电子换向器。它是由基本的3个半桥组成。电机的每一相都是连接在MOSFET高低端沟道处。可以选择MOSFET来处理某些已经在数据表中给出确切的电流和电压量以及功率规格的确定电路。

2.2.2低侧和高侧门驱动器：

这些低成本以及非常有效的驱动电路可以使MOSFET栅极在非常高速的状态应用以及运行。高侧驱动器由NPN晶体管和a组成上拉电阻。上拉电阻决定P沟道MOSFET的电荷门达到Vs，使VGS = 0V，此时MOSFET切换为关闭状态。当5V的信号应用在晶体管的基极时，晶体管导通并将MOSFET的基极连接到地，使当前VGS = -24V，MOSFET进入导通状态。 如果MOSFET规格不允许VGS到达-24V，可以加串联电阻R至a组的晶体管集电极和电阻R3之间以获得所需的VGS。 通过修改后的R和R3的值可以通过以下公式计算：

这里， 电源电压。

使用该公式，可以为系统设计出提供更高功率的门驱动器。

低端MOSFET驱动电路是基于一个从微控制器中放大出来的5V电压信号，以获得放大器期望的来驱动N沟道MOSFET的栅极电压。 除此之外，放大器中的电阻值可以经过一定的修改得到需要能被允许的VGS。

为了实现对PWM速度控制，低端MOSFET通过AND端的帮助，控制信号与PWM进行ANDED每个低端MOSFET驱动器的门。

2.2.3制动和方向控制：

为了能将电子制动器应用于电机，所有的N沟道MOSFET被断开，且所有P沟道MOSFET都被连接为使所有电机短路的状态。

为了改变方向，霍尔传感器输入是反相输入的且反相输入时的MOSFET状态在表格1中可以查找。

例如，如果霍尔输入为“110”，那么说那么序列“001”的MOSFET状态就是在这种情况下就是“100001”。

2.2.4微控制器

微控制器在MOSFET栅极驱动电路的帮助下读取霍尔传感器和开关导通或关断的状态。它也能读取制动器和用户输入的方向并执行相关操作。同时也使用中断来计算电机的速度，采用PID算法进行速度控制和位置控制。在这里仅仅需要设置一个霍尔传感器输出端便可处理上述的三个功能，使系统运作速度更快。

3.使用PID算法对无刷直流电机的速度控制

3.1 无刷直流电机的速度测量

无刷直流电机的速度可以使用内部的霍尔传感器进行测量； 它不需要任何额外的外部编码器。实验中使用的电机可在一圈内完成3组6个霍尔序列输出。在此总共有18个步骤，每个步骤完成所需覆盖角度为20度。可以理解电机在每1个旋转周期内完成3组6个霍尔序列的步骤中一步旋转角度为20度，由下图可以更好的理解这个步骤。

图2 无刷直流电机的机械结构

上图显示了用于此次实验的无刷直流的机械结构电机。每个3相无刷直流电机的定子有9圈线圈（每相3圈线圈），每个转子上8个永磁体。两个相邻线圈之间的角度为40度，而两个相邻的磁体之间的角度是45度。在这里有个值得注意的地方，那就是角度偏移5度在旋转中是非常必要的。为了彻底了解旋转的过程，在电机旋转期间设置了两个激励的步骤。如图所示，在这里分析其中的一个励磁步骤，其中线圈1被磁化为N极，与其相吸的永久磁铁端1是S极，因此它得到了与线圈1相同的磁场。在这个状态下，磁体2偏离线圈2的角度为20度。在这种状态下，当进行到下一个步骤时，线圈2被磁化为N极，因此具有S极的磁体2对准线圈2的磁场导致方向会旋转20°。转子的这种转动导致了霍尔信号的变化以及在下一个步骤中相应地施加激励。在这里值得注意的是，线圈2与线圈1之间的角度相差为200度，且应当只有线圈2应被磁化以保持旋转状态。如果有任何其他线圈在这个过程中被磁化，那么无刷直流电机的转子将无法保持当前的旋转状态。因此只有距离激励电路200度的线圈应该被磁化，这样才能在同一个方向得到额外的20度的旋转。在表格1中给出的激励步骤决定了每个特定的步骤的正确的激励信号。

为了更好地理解这个过程，只有一个线圈的激励时间如上图所示，但在实际情况下是另一个线圈每次都会被磁化。它被磁化的方式是这样：它排斥一个特定的磁铁极性同时给它添加一定相同方向的额外扭矩量。

以上示范激励机制旋转适用于在实验中使用的电机。在实际测量中其实测量了同一台电机的角度。对于不同的制造商的电动机和具有不同机械结构的电动机可能需要不同的转子角度和激励步骤的序列。

通过计算转子在特定持续时间内所经过的的步数，可以计算电机的转动速度。或者，通过测量完成一步所需要的时间，其速度可以按以下公式计算：

其中，电机需要完成一次旋转的步数，完成一步所需的时间，且单位为秒。

3.2使用PID算法进行速度控制

一旦测量出电机的速度，PID算法即可用于电机的速度控制。施加到电机的脉冲宽度调制是由PID算法精确控制，它能精确地控制速度发动机。基本PID方程为：

其中，脉冲宽度调制输出，常数错误（期望和实际之间的差异速度）。

但在数字系统中，要控制的实体是以规律的时间间隔测量的。它确保了时间因子是恒定不变的。因此，上述的方程可以简化为：

其中， 以前的速度样本中的错误。 当前样品速度误差。

在数字系统中，样本的数量是以固定和规则的时间间隔控制的，在调节时间因素的时候，因子被补偿为常数Ki和Kd以最小化处理器上的处理负载。必须非常小心地限制集成方面构造的值，使其在一定限度内，以避免发生系统运行不稳定的情况。

3.3电机驱动和速度控制算法

图3电机驱动和速度控制算法

4. 无刷直流电机的位置控制

伺服电机使用模拟传感器进行位置的检测。在无刷直流电机内部放置的霍尔传感器可用于感应转子的当前位置。但霍尔​​传感器不能显示出连续输出变化，以及输出变化后固定量角所改变的转子位置。实验中使用的电机每旋转20度时便会产生下一个组合的霍尔传感器输出。因此，电机轴只能达到那些20度的整数倍的位置。因此，它能得到的最大限度分辨能力为20度。最初看起来似乎分辨能力很差，但这里可以通过安装适当的齿轮箱来改进以提高它的分辨率。在这里的实验中，使用的齿轮箱的齿轮传动比为10：1，分辨率（最小步进）为2度。若增加传动比，分辨率能得到更大的提升。

将轴旋转的角度值通过USART反馈至微控制器或模拟输入到ADC。作为轴只能获得那些角位置最小步长的整数的倍数，所以输入需要经过量化。

4.1 输入方法和输入量化。

a）从微控制器的模拟电压到ADC：

微控制器的ADC将给定的电压输入数字化为0到1024的范围，一个程序码将该数据映射为相应的0到360的值。

b）通过USART输入：

无刷直流电机的转子要旋转的角度值是通过USART直接发送到微控制器的。

一旦为控制器获得该角度值，就需要对旋转电机转子的步数进行计算。步数由以下公式计算：

在这里，步数角度分辨率。的值近似为最接近的整数。

对于实验中使用的电机，R为2度值。一般情况R的值可以通过以下公式计算出来：

在这里，电机需要完成的步数1回转，减速比。

4.2 将电机驱动到所需的位置

一旦知道要旋转的步数马达，可以应用脉冲宽度调制（PWM）来实现该位置。 脉冲宽度调制（PWM）是由PID控制控制。脉冲宽度调制（PWM）的PID方程为：

这里，错误（步数之间的差异在当前时间范围内涵盖的实际步骤），以前实例计算中的错误。

轴所覆盖的步骤数由程序计算与主控制回路同步运行。初始电机的位置，在系统上电之前，可以称为零位置或者也可以这么说，附加传感器可以安装在外部表面获得固定参考点作为零位置。此时的电机位置可以用下列方

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