微型無刷直流電機的無位置傳感器控制

0 引言
    在一些應用場合要求使用的電機體積小、效率高、轉速高，微型永磁無刷直流電機能夠較好地滿足要求。因為電機體積較小，安裝位置傳感器困難，所以微型無刷直流電機的無位置傳感器控制就顯得尤為必要。
    無刷直流電機的無位置傳感器控制的難點在于轉子位置信號的檢測，目前國內外研究人員提出了諸多方法，其中反電動勢法最為簡單、可靠，應用范圍最廣泛。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，但是其價格高、體積大，不利于用在微型電機控制器中。本文介紹基于C8051F330單片機、檢測反電動勢法的無位置傳感器無刷直流電機的控制器，系統(tǒng)結構簡單，體積超小型，價格低廉，運行性能良好。

1 無傳感器無刷直流電機的控制方式
    實現無刷直流電機電子換相及PWM控制的逆變器主電路如圖1a所示。采用兩兩通電方式，即每一個瞬間有兩個功率管導通，每隔60°電角度換相1次，每一功率管導通120°電角度。功率管的導通順序是：V6V1→V1V2→V2V3→V3V4→V4V5→V5V6。
    在方波無刷直流電機中，定子繞組的反電動勢波形(即氣隙磁通波形)為正負對稱的梯形波，如圖1b所示。從圖中可以看出當檢測到不通電相繞組的反電動勢為零時，以此作為起點滯后30°電角度，即為最佳換相時刻。因此只要測出各相反電動勢的過零點就可獲得三相電機所需的6個關鍵位置信號，進而實現定子繞組的正確換流。電動機繞組中性點0一般未引出，直接測定繞組反電動勢相值比較困難，而便于測量的是三相定子繞組對地的端電壓。端電壓過中點(直流電源電壓的一半)與反電動勢過零點在時間上是重合的，所以尋找反電動勢的過零點后30°電角度即相當于尋找端電壓的過中點后30°電角度。

2 控制系統(tǒng)設計
2．1 硬件電路設計
    系統(tǒng)的硬件電路圖如圖2所示，以C8051F330單片機、逆變橋電路、端電壓檢測電路、穩(wěn)壓電路等組成。本電路設計得非常簡潔，各種元器件都使用小型的貼片封裝，非常適合對成本和體積都比較敏感的微型電機控制器。
    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，均為低電壓驅動器件。FDS66 79通過一個NPN型三極管驅動，而M441 0B由C8051F330的P1口直接驅動(P1口設置成推挽輸出)。PWM控制模式定為：PWM僅應用于半橋的下端MOSFET，同時換流的上端(對角線)MOSFET僅起換相通斷控制。
    電源電壓和電流的檢測：當UV相通電，在PWM開通期間檢測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P0．4口檢測電阻電壓得到電流值，輸入信號先經過內部可編程增益放大器放大，再作A／D轉換。[!--empirenews.page--]
2．2 軟件設計
    軟件主要有初始化程序、電機起動程序、端電壓檢測及換相程序、電壓和電流保護程序、運行控制程序等組成。共有四個中斷：PWM中斷、ADC 中斷、T1中斷、T2中斷。其中T2中斷實現電機起動程序，PWM中斷在PWM開通期間啟動ADC中斷，在ADC中斷中進行端電壓檢測，當檢測到反電動勢過零點時啟動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單片機與8051單片機在內部資源上有差異，所以它們的初始化有所不同。主要有兩點不同：對外引腳的交叉開關的配置；對系統(tǒng)時鐘源的配置。考慮到用戶自己寫初始化程序很繁瑣，Silicon Labs公司推出了C8051F單片機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點擊選擇，就可以方便地生成C8051F330的初始化程序。大大加快了用戶的開發(fā)速度。[!--empirenews.page--]
2．2．2 PWM波輸出控制
    C8051F330的可編程計數器陣列(PCA)由一個專用的16位計數器／定時器和3個16位捕捉／比較模塊組成，恰好可以實現3路8位PWM或16位PWM功能。PCA的16位計數器／定時器的高字節(jié)PCAOH和低字節(jié)PCAOL決定PWM波的頻率，通過改變捕捉／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 端電壓檢測及換相
    反電動勢換相信號檢測：在PWM開通期間啟動ADC，檢測處于不通電相繞組的端電壓，其值等于電源電壓的一半時為反電動勢過零點信號。要考慮：a．ADC檢測時刻應與PWM同步，并選擇PWM開通時間的中點為佳，以避開開關狀態(tài)的瞬態(tài)電壓噪聲。b．在軟件中應舍棄換相后的最初幾個反電動勢采樣點，因為換相后繞組電流不會立即為零，要經過一個續(xù)流過程才下降為零。程序如圖4所示。使用定時器0記錄連續(xù)監(jiān)測到兩個端電壓過零點的時間，除以2即為30°電角度的時間，把此時間裝載到定時器1中，定時器1經過30°電角度時間觸發(fā)中斷，調用換相子程序進行電子換相。

3 實驗結果及結論
    實驗樣機采用長沙方圓模型廠生產的無傳感器無刷直流電機，型號為1208436，額定參數為，轉速：4100r／V，2對極，最大電流：4A，內阻：0．59Ω，空載電流：0．3A。實驗平臺如圖5所示。
    當電源電壓為10V、PWM占空比為20％、空載時，端電壓波形圖如圖6所示。從圖中看出，換相時間為0．6ms左右，端電壓波形是較好的梯形波。根據電機額定參數計算換相時間為0．609ms(60°電角度)，可見換相時間比較準確。通過實驗證明，采用上述控制技術，電機系統(tǒng)起動平穩(wěn)，無振動和失步現象，同時系統(tǒng)具有結構簡單、小型化、低成本、運行可靠、調速性能良好的優(yōu)點。