微型無刷直流電機的無位置傳感器控制

1、微型無刷直流電機的無位置傳感器控制 關鍵字：單片機 無位置傳感器 無刷直流電機 0 引言    在一些應用場合要求使用的電機體積小、效率高、轉(zhuǎn)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(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

2、。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(jié)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(xiàn)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：v6v1v1v2v2v3v3v4v4v5v5v6。    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

3、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(xiàn)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21 硬件電路設計    系統(tǒng)的硬件電路圖如圖2所示，以c8051f

4、330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(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

5、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01v)，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p04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ad轉(zhuǎn)換。22 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(xiàn)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

6、勢過零點時啟動t1中斷完成換相。主程序如圖3所示。 221g8051 f330的初始化    由于c8051f330單片機與8051單片機在內(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的配置；對系統(tǒng)時鐘源的配置?？紤]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 130。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。222 pwm波輸出控制    c

7、8051f330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。223 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：aadc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

8、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(jīng)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(jīng)過30°電角度時間觸發(fā)中斷，調(diào)用換相子程序進行電子換相。 3 實驗結(jié)果及結(jié)論    實驗樣機采用長沙方圓模型廠生產(chǎn)的無傳感器無刷直流電機，型號為1208436，額定參數(shù)為，轉(zhuǎn)速：4100rv，2對極，最大電流：4a，內(nèi)阻：059，空載電流：03a。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06ms