1 概述

無位置傳感器的無刷直流電機(Brushless Direct Current Motor, BLDCM)由于其快速、可靠性高、體積小、重量輕等特點，在航模領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是與有刷電機和有位置傳感器的無刷直流電機相比，其控制算法要復(fù)雜得多。加上航模設(shè)計中對重量和體積的要求非常嚴格，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SH79F168的控制方案，借助于該芯片片內(nèi)集成的針對電機控制的功能模塊，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

本方案選用中穎的8位單片機SH79F168做為主控芯片。該芯片采用優(yōu)化的單機器周期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，同時擴展了如下功能：

·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;同時集成故障檢測功能,可瞬時關(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;

·增強的外部中斷，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

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，因為它們分別在PWM中斷和timer0中斷中進行。

3.1 反電動勢過零點檢測

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。當周期中斷發(fā)生時不斷檢測斷開相的端電壓，并與 比較，直到檢測到過零點或者PWM輸出低(根據(jù)PWM占空比中斷標志位判斷)，即可實現(xiàn)在PWM輸出高期間的反電動勢過零點檢測。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)，實現(xiàn)實時檢測。

需要注意是剛換相后的一段時間內(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)不進行采樣，避開尖峰電壓。

3.2 起動算法

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

航模電機一般在較低速時即會產(chǎn)生比較明顯的反電動勢，這個特點為起動提供了很大的便利。先給電機任意兩相通電，使電機獲得一個初速度，這時檢測斷開相電壓并等待其發(fā)生過零。若檢測到過零點則換相，若經(jīng)過較長一段時間還沒有檢測到過零則強制換相，重復(fù)這個過程直至電機穩(wěn)定運行。這種起動方式，不但實現(xiàn)簡單，而且穩(wěn)定可靠。

3.3 換相計算

一般在用反電動勢法進行BLDC控制的時候，需要對每兩次換相的間隔時間進行計時，得到60°電角度時間，然后除以2作為檢測到過零點后30°延時的定時值。這就需要用到兩個定時器/計數(shù)器，一個用作計數(shù)器對每兩次換相的間隔進行計數(shù)，另一個用作定時器實現(xiàn)30°延時。本方案中為了節(jié)省timer資源，用一個timer同時完成兩項功能。

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

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,在電機運轉(zhuǎn)過程中用示波器捕捉到的各相電壓和過零點位置波形。

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的時刻，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占空比越高時系統(tǒng)運行越穩(wěn)定。本系統(tǒng)經(jīng)測試在PWM占空比低至8%時還能穩(wěn)定運行。

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