1 概述

無位置傳感器的無刷直流電機(jī)(Brushless Direct Current Motor, BLDCM)由于其快速、可靠性高、體積小、重量輕等特點(diǎn)，在航模領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是與有刷電機(jī)和有位置傳感器的無刷直流電機(jī)相比，其控制算法要復(fù)雜得多。加上航模設(shè)計(jì)中對重量和體積的要求非常嚴(yán)格，因此要求硬件電路盡可能簡單，更增加了軟件的難度。

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。

2 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 x 8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，下橋NMOS用PWM端口直接驅(qū)動的方式，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，只保留最關(guān)鍵的步驟。主流程中沒有列出“檢測BEMF”和“換相”兩個關(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 ，反電動勢為 ，供電電壓為 ，則三者之間有如下關(guān)系：

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勢過零點(diǎn)檢測。每次換相后就切換到另一個通道，檢測下一個斷開相的端電壓，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出現(xiàn)尖峰。為了準(zhǔn)確檢測反電動勢，可以選擇在剛換相的一到兩個PWM周期內(nèi)不進(jìn)行采樣，避開尖峰電壓。

3.2 起動算法

BLDC電機(jī)的反電動勢和轉(zhuǎn)速正相關(guān)，在起動和低速運(yùn)行階段，電機(jī)產(chǎn)生的反電動勢為零或很小，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)即會產(chǎn)生比較明顯的反電動勢，這個特點(diǎn)為起動提供了很大的便利。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)這個過程直至電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。這種起動方式，不但實(shí)現(xiàn)簡單，而且穩(wěn)定可靠。

3.3 換相計(jì)算

一般在用反電動勢法進(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。這就需要用到兩個定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個用作計(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%

各圖中最上方的方波中每個高低翻轉(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。