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微型無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制
（作者未知） 2009/12/14
引言
在一些應(yīng)用場合要求使用的電機(jī)體積小、效率高、轉(zhuǎn)速高，微型永磁無刷直流電機(jī)能夠較好地滿足要求。因為電機(jī)體積較小，安裝位置傳感器困難，所以微型無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制就顯得尤為必要。
無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制的難點在于轉(zhuǎn)子位置信號的檢測，目前國內(nèi)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(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)、檢測反電動勢法的無位置傳感器無刷直流電機(jī)的控制器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jī)的控制方式
實現(xiàn)無刷直流電機(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，即每一個瞬間有兩個功率管導(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。
在方波無刷直流電機(jī)中，定子繞組的反電動勢波形(即氣隙磁通波形)為正負(fù)對稱的梯形波，如圖1b所示。從圖中可以看出當(dāng)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(jī)所需的6個關(guān)鍵位置信號，進(jìn)而實現(xiàn)定子繞組的正確換流。電動機(jī)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(dāng)于尋找端電壓的過中點后30°電角度。
2 控制系統(tǒng)設(shè)計
2．1 硬件電路設(shè)計
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、端電壓檢測電路、穩(wěn)壓電路等組成。本電路設(shè)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(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)動器件。FDS66 79通過一個NPN型三極管驅(qū)動，而M441 0B由C8051F330的P1口直接驅(qū)動(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(dāng)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(jīng)過內(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
軟件主要有初始化程序、電機(jī)起動程序、端電壓檢測及換相程序、電壓和電流保護(hù)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(xiàn)電機(jī)起動程序，PWM中斷在PWM開通期間啟動ADC中斷，在ADC中斷中進(jìn)行端電壓檢測，當(dāng)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(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。主要有兩點不同：對外引腳的交叉開關(guān)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(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。
2．2．2 PWM波輸出控制
C8051F330的可編程計數(shù)器陣列(PCA)由一個專用的16位計數(shù)器／定時器和3個16位捕捉／比較模塊組成，恰好可以實現(xiàn)3路8位PWM或16位PWM功能。PCA的16位計數(shù)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(yīng)與PWM同步，并選擇PWM開通時間的中點為佳（未完，下一頁）
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