概述

　　無刷直流電機(jī)是同步電機(jī)的一種，也就是說電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速受電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場的速度及轉(zhuǎn)子極數(shù)（P）影響： n=60* f / P。在轉(zhuǎn)子極數(shù)固定情況下，改變定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率就可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。直流無刷電機(jī)即是將同步電機(jī)加上電子式控制（驅(qū)動(dòng)器），控制定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率 并將電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速回授至控制中心反復(fù)校正，以期達(dá)到接近直流電機(jī)特性的方式。也就是說直流無刷電機(jī)能夠在額定負(fù)載范圍內(nèi)當(dāng)負(fù)載變化時(shí)仍可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)子 維持一定的轉(zhuǎn)速。

　　本文提出了一種基于中穎8位單片機(jī)SH79F168的控制方案，借助于該芯片片內(nèi)集成的針對電機(jī)控制的功能模塊，只需很少的外圍電路即可搭建控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基于反電動(dòng)勢法的無位置傳感器BLDC控制，在保證穩(wěn)定性和可靠性的基礎(chǔ)上大大降低了系統(tǒng)成本。而且該芯片與傳統(tǒng)8051完全兼容，易于上手，從而也降低了研發(fā)成本。

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　本方案選用中穎的8位單片機(jī)SH79F168做為主控芯片。該芯片采用優(yōu)化的單機(jī)器周期8051核，內(nèi)置16K FLASH存儲器，兼容傳統(tǒng)8051所有硬件資源，采用JTAG仿真方式，內(nèi)置16.6M振蕩器，同時(shí)擴(kuò)展了如下功能：

　　·雙DPTR指針。 16位x8乘法器和16位/8除法器。

　　·3通道12位帶死區(qū)控制PWM,6路輸出，輸出極性可設(shè)為中心或邊沿對齊模式；同時(shí)集成故障檢測功能，可瞬時(shí)關(guān)閉PWM輸出；

　　·7通道10位ADC模塊；

　　·內(nèi)置放大器和比較器，可用作電流放大采樣和過流保護(hù)；

　　·增強(qiáng)的外部中斷，提供4種觸發(fā)方式；

　　·提供硬件抗干擾措施；

　　·Flash自編程功能，方便存儲參數(shù)；

　　主系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖1所示，從圖中可以看出該系統(tǒng)大部分功能都由片內(nèi)集成的模塊完成。外圍電路的簡化一方面可以提高系統(tǒng)可靠性，另一方面也降低了成本。

圖1：系統(tǒng)硬件架構(gòu)。

　　三相逆變橋采用上橋PMOS用三極管驅(qū)動(dòng)，下橋NMOS用PWM端口直接驅(qū)動(dòng)的方式，如圖2所示。

圖2：三相逆變橋。

　　SH79F169片內(nèi)集成了三通道6路PWM端口，可分別獨(dú)立配置為PWM輸出或者IO輸出。將PWM01~PWM21配置為PWM輸出，直接驅(qū)動(dòng)三相逆變橋的下橋；PWM0~PWM2配置為IO端口，經(jīng)過晶體管反相電路后驅(qū)動(dòng)三相逆變橋的上橋。

　　外部中斷輸入INT4x配置為雙沿觸發(fā)，即輸入信號的上升沿和下降沿都能觸發(fā)中斷，可用于捕捉調(diào)速給定信號。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　由于SH79F168的硬件已經(jīng)完成了大量的任務(wù)，軟件的部分相對簡化很多。主程序流程圖如圖3所示。

　　圖 3  主程序流程圖

　　為便于理解，該流程圖經(jīng)過了盡量的簡化，只保留關(guān)鍵的步驟。主流程中沒有列出“檢測BEMF”和“換相”兩個(gè)關(guān)鍵的步驟，因?yàn)樗鼈兎謩e在PWM中斷和TImer0中斷中進(jìn)行。

　　3.1 反電動(dòng)勢過零點(diǎn)檢測

　　在PWM輸出高期間，假設(shè)斷開相繞組端電壓為 ，反電動(dòng)勢為 ，供電電壓為 ，則三者之間有如下關(guān)系[1]：

　　SH79F168提供PWM周期中斷和占空比中斷。當(dāng)周期中斷發(fā)生時(shí)不斷檢測斷開相的端電壓，并與 比較，直到檢測到過零點(diǎn)或者PWM輸出低（根據(jù)PWM占空比中斷標(biāo)志位判斷），即可實(shí)現(xiàn)在PWM輸出高期間的反電動(dòng)勢過零點(diǎn)檢測。每次換相后就切換到另一個(gè)通道，檢測下一個(gè)斷開相的端電壓，如此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測。

　　需要注意是剛換相后的一段時(shí)間內(nèi)，由于MOS管的續(xù)流，斷開相繞組的電壓會(huì)出現(xiàn)尖峰。為了準(zhǔn)確檢測反電動(dòng)勢，可以選擇在剛換相的一到兩個(gè)PWM周期內(nèi)不進(jìn)行采樣，避開尖峰電壓。

　　3.2 起動(dòng)算法

　　BLDC電機(jī)的反電動(dòng)勢和轉(zhuǎn)速正相關(guān)，在起動(dòng)和低速運(yùn)行階段，電機(jī)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢為零或很小，因此往往需要經(jīng)過一段強(qiáng)制加速，使反電動(dòng)勢上升到能夠檢測過零點(diǎn)的水平。

　　航模電機(jī)一般在較低速時(shí)即會(huì)產(chǎn)生比較明顯的反電動(dòng)勢，這個(gè)特點(diǎn)為起動(dòng)提供了很大的便利。先給電機(jī)任意兩相通電，使電機(jī)獲得一個(gè)初速度，這時(shí)檢測斷開相電壓并等待其發(fā)生過零。若檢測到過零點(diǎn)則換相，若經(jīng)過較長一段時(shí)間還沒有檢測到過零則強(qiáng)制換相，重復(fù)這個(gè)過程直至電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。這種起動(dòng)方式，不但實(shí)現(xiàn)簡單，而且穩(wěn)定可靠。在這種方式不能適用時(shí)，再根據(jù)應(yīng)用場合考慮選用特定的起動(dòng)方式，可參考文獻(xiàn)[2]，限于篇幅本文不詳述。

　　3.3 換相計(jì)算

　　一般在用反電動(dòng)勢法進(jìn)行BLDC控制的時(shí)候，需要對每兩次換相的間隔時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，得到60°電角度時(shí)間，然后除以2作為檢測到過零點(diǎn)后30°延時(shí)的定時(shí)值。這就需要用到兩個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)用作計(jì)數(shù)器對每兩次換相的間隔進(jìn)行計(jì)數(shù)，另一個(gè)用作定時(shí)器實(shí)現(xiàn)30°延時(shí)。本方案中為了節(jié)省TImer資源，用一個(gè)timer同時(shí)完成兩項(xiàng)功能。

　　在每次換相后，檢測到該通電狀態(tài)下的過零點(diǎn)之間，timer0用作計(jì)數(shù)器；在檢測到過零點(diǎn)之后，之前的計(jì)數(shù)值即為30°電角度，將其作為定時(shí)值裝入timer0，timer0用作定時(shí)器開始定時(shí)。定時(shí)時(shí)間到后，在timer0中斷中進(jìn)行換相。然后timer0又用作計(jì)數(shù)器，如此循環(huán)。正常情況下，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速很高，每次換相到檢測到過零點(diǎn)之間的時(shí)間很短，timer0在計(jì)數(shù)模式下不會(huì)發(fā)生中斷。若timer0在計(jì)數(shù)模式時(shí)發(fā)生中斷，必然是計(jì)數(shù)溢出，說明電機(jī)經(jīng)過較長的時(shí)間還沒有檢測到過零點(diǎn)，而這可以作為電機(jī)堵轉(zhuǎn)的標(biāo)志。根據(jù)實(shí)際情況，可對timer0在計(jì)數(shù)模式下連續(xù)發(fā)生中斷的次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，超過一定值即認(rèn)為發(fā)生堵轉(zhuǎn)。這樣，timer0還實(shí)現(xiàn)了堵轉(zhuǎn)保護(hù)的功能。

　　4 系統(tǒng)測試及總結(jié)

　　圖4~6分別為PWM占空比約為20%、50%和100%時(shí)，在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中用示波器捕捉到的各相電壓和過零點(diǎn)位置波形。

　　圖 4 PWM占空比為20%

　　圖 5 PWM占空比為50%

　　圖 6 PWM占空比為100%

　　各圖中上方的方波中每個(gè)高低翻轉(zhuǎn)的位置即對應(yīng)程序中檢測到過零點(diǎn)的時(shí)刻，下面三個(gè)梯形波分別為A、B、C三相的端電壓。由圖中可以看出PWM占空比越高時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行越穩(wěn)定。本系統(tǒng)經(jīng)測試在PWM占空比低至8%時(shí)還能穩(wěn)定運(yùn)行。

　　采用本方案的航模電調(diào)通過廠家的各項(xiàng)測試，性能良好，穩(wěn)定可靠，且節(jié)省了成本。目前已進(jìn)入批量生產(chǎn)階段，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益。