直流⽆刷电机（ＢＬＤＣ）是近⼏年来⼩型电机⾏业发展最快的品种之⼀，由于其具有体积⼩、重量轻、效率⾼、调速性能好、转动惯量⼩、没有励磁损耗等问题，因此在多个领域具有⼴泛的应⽤。直流⽆刷电机控制系统⽬前主要有三种控制⽅式：专⽤集成电路芯⽚控制、ＤＳＰ⾼速控制、单⽚机控制。以专⽤集成电路芯⽚为核⼼的控制系统结构简单，但不能灵活地控制各种参数；以ＤＳＰ为核⼼的控制系统精度⾼、速度快，但成本⾼；以单⽚机为核⼼的控制系统具有价格低，⽚内资源丰富，且可以灵活地编制程序控制等优点。眼模
ＢＬＤＣ控制中转⼦位置检测⽅法包括有位置传感器控制和⽆位置传感器控制两种。有位置传感器控制简单，但位置传感器的存在增⼤了电机体积，增加了电机制造的复杂性，在⼀些⾼温、⾼湿等特殊应⽤场合，外置式位置传感器的可靠性差，有时甚⾄⽆法正常⼯作，在⼀定程度上限制了其应⽤范围。采⽤⽆位置传感器控制，可以缩⼩电机体积，提⾼系统抗⼲扰能⼒，精确的⽆位置传感器控制还能避免位置传感器可靠性差、安装精确度不⾜带来的换相转矩脉动。
本⽂研究的ＢＬＤＣ控制器以ＮＵＶＯＴＯＮＭＩＮ－Ｉ５４ＺＤＥ单⽚机为控制核⼼，采⽤⽆位置传感器控制策略，辅以驱动电路，实现ＢＬＤＣ电机的控制。硬件采⽤九电阻检过零电路，软件采⽤ＰＷＭ＿ＯＮ调制进⾏优化控制。控制器从电机启转到电机运⾏考虑⾮常全⾯，可适⽤于多种⾼低速和⾼低电压ＢＬＤＣ的控制。
茂发跳跳糖１.ＢＬＤＣ控制原理
⽆刷电机主要由旋转的永磁体（转⼦）和三组均匀分布的线圈（Ａ、Ｂ、Ｃ定⼦）组成，线圈包围着定⼦被固定在外部。电流流经线圈产⽣磁场，三组磁场相互叠加形成⼀个⽮量磁场，⽮量磁场作⽤在转⼦上，使转⼦旋转。
１．１驱动控制⽅式
本⽂设计的控制器采⽤的驱动⽅法是两两导通三相六状态。其⼯作原理是通过逆变功率开关管按⼀定的规律导通和关断，使电机定⼦电枢绕组中产⽣按某⼀电⾓度不断步进的旋转磁场，永磁体在磁场中受⼒旋转。在顺时针旋转的情况下，完整的⼀个周期换相顺序应为ＡＢ→ＡＣ→ＢＣ→ＢＡ→ＣＡ→ＣＢ→ＡＢ。
图１是电机在定⼦通电相由ＡＢ→ＡＣ转换过程中，即定⼦电枢的磁势由Ｆａ１向Ｆａ２的跳跃步进过程中，转⼦由Ｆｆ１转向Ｆｆ２的过程。
１．２转⼦位置确定
１．２．１ＢＬＤＣ反电动势
控制器采⽤两两导通三相六状态⽅式控制⽆刷电机，其导通相与感⽣电动势的关系如图２所⽰。三相绕组中，任意时刻总有⼀相处于断开状态，该断开相的反电动势总会有过零点产⽣。
１．２．２直接反电势过零法
由于ＢＬＤＣ反电动势的过零点与换相时机有图２所⽰的关系，因此只要在检测到断开相反电动势的
过零点之后３０°电⾓度时，依照开关管导通顺序进⾏换相，即可控制电机的正常运转。本设计采⽤直接反电势过零法测断开相的反电动势过零点，所谓直接反电势法，⼜叫九电阻法测过零点，即将断开相的反电动势波形通过９个电阻处理后接⼊ＭＩＮＩ５１芯⽚内部的过零⽐较器，单⽚机测得接⼊相的过零点，并在得到过零点之后延时⼀定电⾓度再进⾏换相控制。
１．３ＢＬＤＣ的调速
由直流⽆刷电动机的基本原理可知，改变加在电机绕组两端的电压可以改变电机的转速，即改变加在直流⽆刷电动机绕组上的ＰＷＭ信号的占空⽐就可以实现电机的调速。
2. 控制器硬件设计
２．１电路结构
本控制器的使⽤对象是⽆位置传感器的直流⽆刷电机，其内部绕组是三相星形连接，采⽤三相星形全桥驱动、两两导通三相六状态的⼯作⽅式。系统的电路结构如图３所⽰。６个ＰＷＭ输出连接到３对ＩＧＢＴ驱动器（ＦＤ２５０１），最终连接到６个ＩＧＢＴ（ＳＭ４０２３），ＢＬＤＣ电机绕组以三相桥式连接到这些ＩＧＢＴ。同时，九电阻测电机的反电动势过零点。
设计中采⽤的驱动芯⽚ＦＤ２５０１是⼀个内置⽋压保护功能的⾼电压、⾼速栅极驱动器，ＭＯＳ管型号为ＳＭ４０２３，其ＶＤＳ最⼤承载电压可⾄４０Ｖ，低频时漏极持续电流ＩＤ可达３１Ａ，满⾜⼤功率驱动控制器的设计需求。
２．２九电阻电路
在本设计中采⽤直接反电势过零法获得电机的反电动势零点，以实现⽆位置传感器的控制，过零检测电路由９个电阻组成，具体接法如图４所⽰，ＡＣＭＰ＿Ｐ、ＡＣＭＰ＿Ｎ为过零⽐较器的Ｐ、Ｎ端，Ａ、Ｂ、Ｃ为电机的三相绕组端。由于采⽤２４Ｖ电源的电机，鉴于主控芯⽚电源为５Ｖ的限制，从三相绕组接下来的电阻阻值选取１０ｋΩ与１ｋΩ的⽐值，可有效检测反电动势的过零点。
２．３ＩＧＢＴ驱动电路
对于典型的三相直流⽆刷电机，在正常⼯作时有６个不同⼯作区间，产⽣的三相六状态波形由全波逆变电路产⽣。如图５所⽰，６个功率开关管控制三相绕组两两通断，三相六状态⽅式即每个时刻只有上下桥中⼀个桥臂的开关管导通，每隔１／６周期（即６０°电⾓度）换相⼀次，每个开关管⼀次导通１２０°电⾓度。正转时，各开关管导通顺序
隔１／６周期（即６０°电⾓度）换相⼀次，每个开关管⼀次导通１２０°电⾓度。正转时，各开关管导通顺序为：Ｔ１Ｔ４→Ｔ１Ｔ６→Ｔ３Ｔ６→Ｔ３Ｔ２→Ｔ５Ｔ２→Ｔ５Ｔ４→Ｔ１Ｔ４。
３控制器软件设计
３．１控制流程
本⽂设计的控制器包括⾼速和低速两个档位，具有⽋压保护和防输出短路功能。程序初始化之后在主函数⾥检测⽋压及⽬标速度标志，进⾏⽋压保护及电机速度的控制。换相动作及定时器数值的更新在定时器Ｔｉｍｅｒ１中断⾥进⾏。主程序⾥主要的控制流程如图６所⽰。
３．２电机启动设计
电机上电后根据初始状态决定如何进⾏启转，具体分为以下两种情况：
（１）静⽌启转
ＢＬＤＣ转起来才能检测到过零，本设计中⾸次通电换相时间取６０ｍｓ。线圈若刚好对准永磁体，通电时间再长也不会转，因此在Ｔｉｍｅｒ１中断中，若超时２倍换相时间仍未检测到过零，就不再等待，直接换下⼀相。
静⽌加速时采⽤三段式启动法，它分为预定位、外同步加速、⾃同步３个阶段。预定位阶段采⽤预先给任意两相定⼦绕组通电，利⽤合成定⼦磁势把转⼦轴线拖到与合成磁势重合的位置。外同步加速阶段通过控制占空⽐增量逐渐提⾼电机外同步状态外施电压，使电机转速不断增⼤，直⾄反电动势增⼤到可以检测出来的时候切换到⾃同步状态。
（２）⾮静⽌启转
启转前若ＢＬＤＣ已经在转，测到过零点后延时半个周期或⽴即从下⼀相通电，就可以直接顺畅启转。
本设计通过测某⼀断开相是否有周期过零事件来判断电机是否在转，如测到断开相周期性的过零事件，说明电机在转动，只需按顺序从下⼀相通电便可使电机继续旋转。
３．３检过零→换相
发光墙软件设计中使⽤两个定时器：Ｔｉｍｅｒ１连续定时模式⽤于定时检测过零点，⾸次取５ｍｓ进中断；Ｔｉｍｅｒ
软件设计中使⽤两个定时器：Ｔｉｍｅｒ１连续定时模式⽤于定时检测过零点，⾸次取５ｍｓ进中断；Ｔｉｍｅｒ０周期模式⽤于触发换相，⾸次取６０ｍｓ换相周期。每次在Ｔｉｍｅｒ１中断⾥检测到过零后，Ｔｉｍｅｒ１和Ｔｉｍｅｒ０定时器的溢出值迭代更新，具体的时间流图如图７所⽰。
在电机运转时，检过零之后的３０°电⾓度为最佳换相时机，每次换相后，要改变驱动上、下ＩＧＢＴ的ＰＷＭ
输出引脚，还要切换⽐较器的输⼊引脚。本控制器使⽤的ＮＵＶＯＴＯＮ主控芯⽚ＭＩＮＩ５１系列
具有如下功能：①换相寄存器：ＰＷＭ→ＰＨＣＨＧ，写该寄存器完成上述三个动作。②定时器溢出时，⾃动换相：ＰＷＭ→ＰＨＣＨＧＮＸＴ中的值会⾃动写⼊换相寄存器ＰＷＭ→ＰＨＣＨＧ。
３．４防输出短路
控制器启⽤芯⽚的Ｂｒａｋｅ功能，过流⽴即关断ＩＧＢＴ。经测试，即使在电机转动时短接输出，也不会烧功率管。
４调制⽅法优化
４．１最佳ＰＷＭ调制⽅式
现有的ＢＬＤＣ调制⽅式有ＰＷＭ＿ＯＮ、ＯＮ＿ＰＷＭ、Ｈ＿ＰＷＭ－Ｌ＿ＯＮ、Ｈ＿ＯＮ－Ｌ＿ＰＷＭ、Ｈ＿ＰＷＭ－Ｌ＿ＰＷＭ这５种调制⽅式［７］，５种调制⽅式的区别在于开关管的损耗及电机的电磁转矩脉动不同。所谓的转矩脉动是在电机转动的过程中，瞬时输出⼒矩随时间不断变化，但是却围绕某⼀平均值上下变动的现象。在ＰＷＭ＿ＯＮ调制⽅式下功率管开关次数最少，６个功率管的开关损耗得到均匀分配，同时在换相过程中产⽣的转矩脉动最⼩，与其他４种调制⽅式相⽐具有更好的控制效果。因此本设计采⽤ＰＷＭ＿ＯＮ调制⽅式，即在开关管导通的１２０°期间，前６０°进⾏ＰＷＭ调制，后６０°保持恒通。
４．２⾼速运转
４．２．１最佳换相
磁铁的旋转是连续的，电压最⼤的位置是定⼦⽮量磁场，⽐磁铁超前９０°。此时供电电压⽐磁铁超前９０°，⼒矩和效率是最佳的，弦波驱动⽅式就是让电磁场总是与磁铁成９０°，⽅波驱动⽅式只能让电磁场与磁铁的夹⾓在９０°的前后３０°范围内变化。
过零检测后再延时⼀半时间换相，刚好前后各３０°，当⼆者夹⾓不是９０°时，可以把电磁场（或磁铁）作９０°分解，分解成⼀个⽔平分量，⼀个垂直分量。当夹⾓⼩于９０°时，分解合成的结果相当于磁铁磁性增强了，所以转矩会增⼤，转速会降低。夹⾓⼤于９０°时，分解合成的结果相当于磁铁磁性减弱了，电机转矩会减⼩，但是转速会加快。谢宇风
４．２．２转速最快换相
如果过零之后⽴即换相，平均夹⾓就是１２０°（如图８所⽰），则磁铁与线圈磁场有⼀个１８０°的分量，分解后磁铁相当于磁性减弱，此时⼒矩会损失很多，并且电流会增⼤较多，但电机速度最快，⽐最佳换相时机的速度要快５％。
制冰袋
转速可根据前后两次检测过零时间的差值算出。两次检测过零时，Ｔｉｍｅｒ１定时器读数的差值即是当前的换相周期Ｐｅｒｉｏｄ－Ｎｏｗ，为当前换相时间微秒数。６次换相是⼀个电转周期，其倒数就是每秒电转速，再乘６０就是每分钟转速。电机每分钟电转速计算公式是：
６０×（１０６ µｓ／（ＰｅｒｉｏｄＮｏｗ×６））＝１０７／ＰｅｒｉｏｄＮｏｗ
５控制器测试
ＢＬＤＣ控制器设计完成后，成功驱动⼀款直流⽆刷电机，并在该ＢＬＤＣ控制器上以家⽤吸尘器的测试标准ＩＥＣ６０３１２进⾏了两种换相情况下的测试，测试的部分数据如表１、表２所列。
两种情况下的测试数据表明，在梯形波控制⽅式下，相同的测试环境，相⽐于最佳的换相时机，过零后⽴即换相电机的转速⼤约提⾼５％，本测试使⽤的直流⽆刷电机在全速运⾏情况下，转速最⾼可达⼋万多ｒｐｍ，同时瞬时效率也有⼀定的提⾼。理论上本控制器最⾼可驱动⼆⼗万转左右的直流⽆刷电机，满⾜⼤功率电机的驱动要求。
电脑主机进⾏通信。其次在ＰＣ中安装ＳｅｃｕｒｅＣＲＴ８．０．４终端仿真软件，并在虚拟机中安装Ｕｂｕｎｔｕ９．１０。当测试平台搭建完之后即可启动开发板，然后通过命令来开启Ｍｊｐｇ
＿ｓｔｒｅａｍｅｒ服务器，最后在Ｕｂｕｎｔｕ的⽂本模式下进⼊相应的⽬录中，通过命令来启动客户端，随后即可观看视频图像，运⾏效果如图４所⽰。视频监控系统实物图如图５所⽰，其可以很好地满⾜各种场合的视频监控需求。
５．２运动⽬标跟踪的实现
本⽂获取之前录制的⼀段视频进⾏测试运动⽬标跟踪的效果，该测试在ＣＰＵ为Ｉｎｔｅｌ（Ｒ）Ｃｏｒｅ（ＴＭ）２Ｄｕｏ，运⾏内存为２ＧＢ的Ｗｉｎｄｏｗｓ系统上进⾏，并在Ｏｐｅｎｃｖ２．４．１０和ＶＳ２０１０的开发平台上利⽤Ｃ／Ｃ＋＋编程语⾔实现。视频序列中每帧图⽚的⼤⼩为３２０×２４０，视频中的运动⽬标⽔杯缓慢向左移动。测试发现，当运动⽬标缓慢移动并⽆明显尺⼨变化以及⽆遮挡情况发⽣时，采⽤经典的Ｍｅａｎ－ｓｈｉｆｔ算法对运动⽬标进⾏跟踪还是⽐较理想的。获取其中的第５帧、第２０帧、第３０帧的测试效果图如图６所⽰。
砂
结语
本⽂结合嵌⼊式技术、⽆线传输技术、流媒体技术，通过硬件环境搭建与软件平台设计实现了⽆线视频监控的功
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议