直流電機具有良好的調速性能,如無(wú)級調速、調速范圍寬、低速性能好、高起動(dòng)轉矩、高效率等。無(wú)刷直流電機由于采用電子換向,PWM調速,在進(jìn)一步提高直流電機性能的同時(shí)又克服了直流電機機械換向帶來(lái)的一系列問(wèn)題,從而大大延長(cháng)了電機的使用壽命,近年來(lái)已廣泛應用于家電、汽車(chē)、數控機床、機器人等領(lǐng)域。

1、無(wú)刷機優(yōu)勢特點(diǎn)

無(wú)刷直流(BLDC)電機具有多種優(yōu)點(diǎn)：效率更高、壽命更長(cháng)、不產(chǎn)生火花、可靠性高，可以選擇多檔速度，并有大扭矩。因此，越來(lái)越多的應用依賴(lài)于無(wú)刷直流（BLDC）電機，包括醫療設備、家用電器、樓宇控制和工業(yè)自動(dòng)化等等。

2、無(wú)刷直流電機的速度控制方案

對無(wú)刷直流電機轉速的控制即可采用開(kāi)環(huán)控制,也可采用閉環(huán)控制。與開(kāi)環(huán)控制相比,速度控制閉環(huán)系統的機械特性有以下優(yōu)越性：閉環(huán)系統的機械特性與開(kāi)環(huán)系統機械特性相比,其性能大大提高;理想空載轉速相同時(shí),閉環(huán)系統的靜差率（額定負載時(shí)電機轉速降落與理想空載轉速之比）要小得多;當要求的靜差率相同時(shí), 閉環(huán)調速系統的調速范圍可以大大提高。無(wú)刷直流電機的速度控制方案如圖1所示。

無(wú)刷直流電機控制器可采用電機控制專(zhuān)用DSP，也可采用單片機＋無(wú)刷直流電機控制專(zhuān)用集成電路的方案。前者集成度高，電路設計簡(jiǎn)單，運算速度快，可實(shí)現復雜的速度控制算法，但由于DSP的價(jià)格高而不適合于小功率低成本的無(wú)刷直流電機控制器。后者雖然運算速度低，但只要采用適當的速度控制算法，依然可以達到較高的控制精度，適合于小功率低成本的無(wú)刷直流電機控制器。

第二代無(wú)刷直流電機控制專(zhuān)用集成電路，集成了轉子位置傳感器譯碼器電路、脈寬調制電路（PWM）、功率輸出驅動(dòng)電路、限流電路，可以實(shí)現無(wú)刷直流電機速度開(kāi)環(huán)系統的全部控制功能。以及由MOSFET型場(chǎng)效應管組成的功率驅動(dòng)電路，無(wú)刷電機控制邏輯和保護由對號完成，單片機用來(lái)完成轉速設定值的獲取、轉速反饋的實(shí)時(shí)采樣以及速度控制算法的實(shí)現。

閉環(huán)速度調節器采用比例積分微分控制（簡(jiǎn)稱(chēng)PID控制），其輸出是輸入的比例、積分和微分的函數。PID調節器控制結構簡(jiǎn)單，參數容易整定，不必求出被控對象的數學(xué)模型，因此PID調節器得到了廣泛的應用。

PID調節器雖然易于使用，但在設計、調試無(wú)刷直流電機控制器的過(guò)程中應注意：PID調節器易受干擾、采樣精度的影響，且受數字量上下限的影響易產(chǎn)生上下限積分飽和而失去調節作用。所以，在不影響控制精度的前提下對PID控制算法加以改進(jìn)，關(guān)系到整個(gè)無(wú)刷直流電機控制器設計的成敗。

3、速度設定值和電機轉速的獲取

為在單片機中實(shí)現PID調節，需要得到電機速度設定值（通過(guò)A／D變換器）和電機的實(shí)際轉速，這需要通過(guò)精心的設計才能完成。

無(wú)刷直流電機的實(shí)際轉速可通過(guò)測量轉子位置傳感器（通常是霍爾傳感器）信號得到，在電機轉動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)霍爾傳感器可以得到如圖2所示的周期信號。

圖2：霍爾傳感器信號

由圖2可知,電機每轉一圈,每一相霍爾傳感器產(chǎn)生2個(gè)周期的方波,且其周期與電機轉速成反比,因此可以利用霍爾傳感器信號得到電機的實(shí)際轉速。為盡可能縮短一次速度采樣的時(shí)間,可測得任意一相霍爾傳感器的一個(gè)正脈沖的寬度,則電機的實(shí)際轉速為：

但由于利用霍爾傳感器信號測速，所以測量電機轉速時(shí)的采樣周期是變化的，低速時(shí)采樣周期要長(cháng)些，這影響了PID調節器的輸出，導致電機低速時(shí)的動(dòng)態(tài)特性變差。解決的辦法是將三相霍爾傳感器信號相“與”，產(chǎn)生3倍于一相霍爾傳感器信號頻率的倍頻信號，這樣可縮短一次速度采樣的時(shí)間，但得增加額外的硬件開(kāi)銷(xiāo)。直接利用霍爾傳感器信號測速雖然方便易行，但這種測速方法對霍爾傳感器在電機定子圓周上的定位有較嚴格的要求，當霍爾傳感器在電機定子圓周上定位有誤差時(shí)，相鄰2個(gè)正脈沖的寬度不一致，會(huì )導致較大的測速誤差，影響PID調節器的調節性能。若對測速精度要求較高時(shí)，可采用增量式光電碼盤(pán)，但同樣會(huì )增加了電路的復雜性和硬件的開(kāi)銷(xiāo)。

電機速度設定值可以通過(guò)一定范圍內的電壓來(lái)表示。系統中采用了串行A／D來(lái)實(shí)現速度設定值的采樣。但在電機調速的過(guò)程中，電機控制器的功率輸出部分會(huì )對A／D模擬輸入電壓產(chǎn)生干擾，進(jìn)行抗干擾處理。

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