微型無(wú)刷直流電機(jī)的無(wú)位置傳感器控制

0 引言

在一些應(yīng)用場(chǎng)合要求使用的電機(jī)體積小、效率高、轉(zhuǎn)速高，微型永磁無(wú)刷直流電機(jī)能夠較好地滿足要求。因?yàn)殡姍C(jī)體積較小，安裝位置傳感器困難，所以微型無(wú)刷直流電機(jī)的無(wú)位置傳感器控制就顯得尤為必要。

無(wú)刷直流電機(jī)的無(wú)位置傳感器控制的難點(diǎn)在于轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的檢測(cè)，目前國(guó)內(nèi)外研究人員提出了諸多方法，其中反電動(dòng)勢(shì)法最為簡(jiǎn)單、可靠，應(yīng)用范圍最廣泛。普遍采用的控制方案為基于DSP的控制和基于專用集成電路的控制等，但是其價(jià)格高、體積大，不利于用在微型電機(jī)控制器中。本文介紹基于C8051F330單片機(jī)、檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)法的無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)的控制器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積超小型，價(jià)格低廉，運(yùn)行性能良好。

1 無(wú)傳感器無(wú)刷直流電機(jī)的控制方式

實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)電子換相及PWM控制的逆變器主電路如圖1a所示。采用兩兩通電方式，即每一個(gè)瞬間有兩個(gè)功率管導(dǎo)通，每隔60°電角度換相1次，每一功率管導(dǎo)通120°電角度。功率管的導(dǎo)通順序是：V6V1→V1V2→V2V3→V3V4→V4V5→V5V6。

在方波無(wú)刷直流電機(jī)中，定子繞組的反電動(dòng)勢(shì)波形(即氣隙磁通波形)為正負(fù)對(duì)稱的梯形波，如圖1b所示。從圖中可以看出當(dāng)檢測(cè)到不通電相繞組的反電動(dòng)勢(shì)為零時(shí)，以此作為起點(diǎn)滯后30°電角度，即為最佳換相時(shí)刻。因此只要測(cè)出各相反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)就可獲得三相電機(jī)所需的6個(gè)關(guān)鍵位置信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)定子繞組的正確換流。電動(dòng)機(jī)繞組中性點(diǎn)0一般未引出，直接測(cè)定繞組反電動(dòng)勢(shì)相值比較困難，而便于測(cè)量的是三相定子繞組對(duì)地的端電壓。端電壓過(guò)中點(diǎn)(直流電源電壓的一半)與反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)在時(shí)間上是重合的，所以尋找反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)后30°電角度即相當(dāng)于尋找端電壓的過(guò)中點(diǎn)后30°電角度。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件電路圖如圖2所示，以C8051F330單片機(jī)、逆變橋電路、端電壓檢測(cè)電路、穩(wěn)壓電路等組成。本電路設(shè)計(jì)得非常簡(jiǎn)潔，各種元器件都使用小型的貼片封裝，非常適合對(duì)成本和體積都比較敏感的微型電機(jī)控制器。

逆變橋電路中上橋臂為P型MOSFET器件FDS6679，下橋臂為N型MOSFET器件M4410B，均為低電壓驅(qū)動(dòng)器件。FDS66 79通過(guò)一個(gè)NPN型三極管驅(qū)動(dòng)，而M441 0B由C8051F330的P1口直接驅(qū)動(dòng)(P1口設(shè)置成推挽輸出)。PWM控制模式定為：PWM僅應(yīng)用于半橋的下端MOSFET，同時(shí)換流的上端(對(duì)角線)MOSFET僅起換相通斷控制。

電源電壓和電流的檢測(cè)：當(dāng)UV相通電，在PWM開(kāi)通期間檢測(cè)U相的端電壓Uu，由于MOSFET的通態(tài)電壓很小(小于0.1V)，端電壓uu可以近似看作是電源電壓UD;在下橋臂源極和電源地之間串接采樣電阻，通過(guò)P0.4口檢測(cè)電阻電壓得到電流值，輸入信號(hào)先經(jīng)過(guò)內(nèi)部可編程增益放大器放大，再作A/D轉(zhuǎn)換。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件主要有初始化程序、電機(jī)起動(dòng)程序、端電壓檢測(cè)及換相程序、電壓和電流保護(hù)程序、運(yùn)行控制程序等組成。共有四個(gè)中斷：PWM中斷、ADC 中斷、T1中斷、T2中斷。其中T2中斷實(shí)現(xiàn)電機(jī)起動(dòng)程序，PWM中斷在PWM開(kāi)通期間啟動(dòng)ADC中斷，在ADC中斷中進(jìn)行端電壓檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)時(shí)啟動(dòng)T1中斷完成換相。主程序如圖3所示。

2.2.1G8051 F330的初始化

由于C8051F330單片機(jī)與8051單片機(jī)在內(nèi)部資源上有差異，所以它們的初始化有所不同。主要有兩點(diǎn)不同：對(duì)外引腳的交叉開(kāi)關(guān)的配置;對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘源的配置。考慮到用戶自己寫(xiě)初始化程序很繁瑣，Silicon Labs公司推出了C8051F單片機(jī)初始化代碼生成程序軟件Config2Version 1.30。用戶只要在圖形化的界面上用鼠標(biāo)點(diǎn)擊選擇，就可以方便地生成C8051F330的初始化程序。大大加快了用戶的開(kāi)發(fā)速度。

2.2.2 PWM波輸出控制

C8051F330的可編程計(jì)數(shù)器陣列(PCA)由一個(gè)專用的16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器和3個(gè)16位捕捉/比較模塊組成，恰好可以實(shí)現(xiàn)3路8位PWM或16位PWM功能。PCA的16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器的高字節(jié)PCAOH和低字節(jié)PCAOL決定PWM波的頻率，通過(guò)改變捕捉/比較模塊的高字節(jié)PCAOCPHn和低字節(jié)PCAOCPLn就可以改變PWM波的占空比。

2.2.3 端電壓檢測(cè)及換相

反電動(dòng)勢(shì)換相信號(hào)檢測(cè)：在PWM開(kāi)通期間啟動(dòng)ADC，檢測(cè)處于不通電相繞組的端電壓，其值等于電源電壓的一半時(shí)為反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)信號(hào)。要考慮：a.ADC檢測(cè)時(shí)刻應(yīng)與PWM同步，并選擇PWM開(kāi)通時(shí)間的中點(diǎn)為佳，以避開(kāi)開(kāi)關(guān)狀態(tài)的瞬態(tài)電壓噪聲。b.在軟件中應(yīng)舍棄換相后的最初幾個(gè)反電動(dòng)勢(shì)采樣點(diǎn)，因?yàn)閾Q相后繞組電流不會(huì)立即為零，要經(jīng)過(guò)一個(gè)續(xù)流過(guò)程才下降為零。程序如圖4所示。使用定時(shí)器0記錄連續(xù)監(jiān)測(cè)到兩個(gè)端電壓過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間，除以2即為30°電角度的時(shí)間，把此時(shí)間裝載到定時(shí)器1中，定時(shí)器1經(jīng)過(guò)30°電角度時(shí)間觸發(fā)中斷，調(diào)用換相子程序進(jìn)行電子換相。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)采用長(zhǎng)沙方圓模型廠生產(chǎn)的無(wú)傳感器無(wú)刷直流電機(jī)，型號(hào)為1208436，額定參數(shù)為，轉(zhuǎn)速：4100r/V，2對(duì)極，最大電流：4A，內(nèi)阻：0.59Ω，空載電流：0.3A。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖5所示。

當(dāng)電源電壓為10V、PWM占空比為20%、空載時(shí)，端電壓波形圖如圖6所示。從圖中看出，換相時(shí)間為0.6ms左右，端電壓波形是較好的梯形波。根據(jù)電機(jī)額定參數(shù)計(jì)算換相時(shí)間為0.609ms(60°電角度)，可見(jiàn)換相時(shí)間比較準(zhǔn)確。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，采用上述控制技術(shù)，電機(jī)系統(tǒng)起動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)振動(dòng)和失步現(xiàn)象，同時(shí)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、小型化、低成本、運(yùn)行可靠、調(diào)速性能良好的優(yōu)點(diǎn)。