驅(qū)動(dòng)單相無(wú)刷直流電機(jī)應(yīng)用方案

1、驅(qū)動(dòng)單相無(wú)刷直流電機(jī)應(yīng)用方案對(duì)于低功耗電機(jī)應(yīng)用，成本比復(fù)雜性更為重要，并且對(duì)轉(zhuǎn)矩的要求較低，因此單相無(wú)刷直流(BLDC)此電機(jī)是三相電機(jī)不錯(cuò)的替代方案。類(lèi)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于制造,因此成本較低。此外,它只需要使用單位置傳感器和一些驅(qū)動(dòng)器開(kāi)關(guān)即可控制電機(jī)繞組并為其供電。因此,可以輕松地在電機(jī)和控制用電子元器件之間做出權(quán)衡。為保持成本效益,需要使用低成本的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。本文介紹的驅(qū)動(dòng)器電路會(huì)利用兩個(gè)反饋回路。一個(gè)是內(nèi)層回路,負(fù)責(zé)控制換向;另一個(gè)是外層回路,負(fù)責(zé)控制轉(zhuǎn)速。電機(jī)轉(zhuǎn)速以外部模擬電壓作為參考,而且會(huì)檢測(cè)出過(guò)流和過(guò)溫故障?；?位單片機(jī)的單相驅(qū)動(dòng)器。這款單片機(jī)是因?yàn)槠湟_數(shù)較少,并且片上外設(shè)可以

2、控制驅(qū)動(dòng)器開(kāi)關(guān)、測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速、預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)子位置以及實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)。本應(yīng)用使用以下外設(shè):互補(bǔ)波形發(fā)生器(CWG)、信號(hào)測(cè)量定時(shí)器(SMT)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)、捕捉/比較/脈寬調(diào)制(CCP)、固定參考電壓(FVR)、定時(shí)器、比較器和溫度指示器。上述外設(shè)通過(guò)固件在內(nèi)部進(jìn)行連接,因此可減少所需的外部引腳數(shù)。全橋電路為電機(jī)繞組供電,且由CWG輸出進(jìn)行控制?；魻杺鞲衅饔糜诖_定轉(zhuǎn)子位置。流過(guò)電機(jī)繞組的電流通過(guò)檢測(cè)電阻Rshunt轉(zhuǎn)換為電壓,從而實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。轉(zhuǎn)速以外部模擬輸入作為參考。圖2顯示了電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制框圖；對(duì)于本應(yīng)用,電機(jī)額定電壓為5V,額定轉(zhuǎn)速為2400轉(zhuǎn)/分鐘。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電源

3、電壓為9V。參考轉(zhuǎn)速可以是任一模擬輸入。單片機(jī)的ADC模塊具有10位分辨率以及最多8個(gè)通道,因此適用于各類(lèi)模擬輸入。ADC模塊用于提供參考轉(zhuǎn)速和初始PWM占空比,從而根據(jù)參考轉(zhuǎn)速源對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行初始化。初始占空比可根據(jù)比例積分(PI)控制器的結(jié)果以及CCP中加載的新占空比值進(jìn)行增減,相應(yīng)的PWM輸出用作CWG的初始源以控制全橋驅(qū)動(dòng)器下橋臂開(kāi)關(guān)的調(diào)制,從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。內(nèi)層回路內(nèi)層反饋回路負(fù)責(zé)控制換向。CWG輸出用于控制定子繞組的激勵(lì),它取決于霍爾傳感器輸出的狀態(tài)(霍爾傳感器輸出將通過(guò)比較器與FVR進(jìn)行比較)。將使能比較器遲滯,以屏蔽傳感器輸出中的噪聲。比較器輸出可在正向全橋模式與反向全橋模式之

4、間切換,從而使電機(jī)實(shí)現(xiàn)順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。CWG輸出將饋入全橋電路的開(kāi)關(guān)的輸入。要生成一個(gè)電氣周期,必須執(zhí)行一次正反向組合。電機(jī)機(jī)械旋轉(zhuǎn)一周需要兩個(gè)電氣周期,因此必執(zhí)行兩次正反向組合電機(jī)才能完成一次順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。全橋電路圖3所示的全橋電路主要由兩個(gè)P溝道 MOSFET(用作上橋臂開(kāi)關(guān))和兩個(gè)N溝道 MOSFET(用作下橋臂開(kāi)關(guān))組成。P溝道晶體管的主要優(yōu)勢(shì)在于可以在上橋臂開(kāi)關(guān)位置輕松實(shí)現(xiàn)柵極驅(qū)動(dòng),從而降低上橋臂柵極驅(qū)動(dòng)電路的成本。雖然上橋臂開(kāi)關(guān)和下橋臂開(kāi)關(guān)可同時(shí)開(kāi)關(guān)(跨導(dǎo)),但應(yīng)避免這種開(kāi)關(guān)操作,否則將產(chǎn)生直通電流,導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器元件損壞。為避免這種操作,可使用CWG的計(jì)數(shù)器寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)死區(qū)延時(shí)。這

5、樣可避免輸出信號(hào)發(fā)生重疊,繼而防止上橋臂和下橋臂同時(shí)導(dǎo)通。理想情況下,N溝道MOSFET和P溝道MOSFET應(yīng)具有相同的導(dǎo)通電阻( RDSon)和總柵極電荷QG,以便獲得最佳的開(kāi)關(guān)特性。因此,最好選擇一對(duì)互補(bǔ)的MOSFET來(lái)匹配上述參數(shù)。但實(shí)際上,由于互補(bǔ)MOSFET的結(jié)構(gòu)不同,無(wú)法達(dá)到此要求;P溝道器件的芯片尺寸必須是N溝道器件的2到3倍才能匹配RDSon性能。但是,芯片尺寸越大,QG的影響也越大。因此,選擇MOSFET時(shí),務(wù)必先確定RDSon和QG二者中哪個(gè)對(duì)開(kāi)關(guān)性能的影響更大,然后再相應(yīng)地進(jìn)行選擇。故障檢測(cè)若轉(zhuǎn)矩負(fù)載超出允許的電機(jī)轉(zhuǎn)矩負(fù)載最大值,可能會(huì)導(dǎo)致電機(jī)停轉(zhuǎn),從而使全部電流流過(guò)繞組

6、。因此,為保護(hù)電機(jī),必須實(shí)現(xiàn)過(guò)流和停轉(zhuǎn)故障檢測(cè)。要實(shí)現(xiàn)過(guò)流檢測(cè),可在驅(qū)動(dòng)電路中添加 Rshunt,該電阻會(huì)根據(jù)流過(guò)電機(jī)繞組的電流提供相應(yīng)的電壓。電阻兩端的壓降隨電機(jī)電流線(xiàn)性變化。該電壓將饋入比較器的反相輸入并與參考電壓進(jìn)行比較,參考電壓基于Rshunt電阻與允許的電機(jī)停轉(zhuǎn)電流最大值之積。參考電壓可由FVR提供,并可通過(guò)DAC進(jìn)一步縮小。這樣便可以使用非常小的參考電壓,從而將電阻保持在較低水平,進(jìn)而降低Rshunt的功耗。如果 Rshunt電壓超出參考電壓,比較器輸出會(huì)觸發(fā)CWG的自動(dòng)關(guān)斷功能,并且只要故障存在,CWG的輸出便會(huì)保持無(wú)效狀態(tài)。過(guò)溫故障可通過(guò)器件的片上溫度指示器進(jìn)行檢測(cè),溫度指示器

7、的測(cè)量范圍為-40至+86。指示器的內(nèi)部電路會(huì)隨著溫度的不同而產(chǎn)生不同的電壓,然后通過(guò)ADC將此電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。為提高溫度指示器的精確度,可實(shí)施單點(diǎn)校準(zhǔn)。外層回路外層回路用于控制電機(jī)在不同條件下的轉(zhuǎn)速,例如負(fù)載需求、干擾和溫度漂移變化等。轉(zhuǎn)速由SMT測(cè)量。SMT是一款具有時(shí)鐘和門(mén)控邏輯的24位計(jì)數(shù)定時(shí)器,經(jīng)配置可用于測(cè)量多種數(shù)字信號(hào)參數(shù),如脈沖寬度、頻率、占空比以及兩輸入信號(hào)邊沿之間的時(shí)間差。可通過(guò)SMT的周期和占空比采集模式測(cè)量電機(jī)的輸出頻率。在此模式下,SMT信號(hào)的占空比或周期都可基于SMT時(shí)鐘進(jìn)行采集。SMT會(huì)計(jì)算單個(gè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的SMT時(shí)鐘數(shù),然后將結(jié)果存儲(chǔ)于捕捉周期寄存器中。使用該寄存器可獲得電機(jī)的實(shí)際頻率。將實(shí)際轉(zhuǎn)速與參考轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較時(shí),如果實(shí)際轉(zhuǎn)速高于設(shè)定的參考轉(zhuǎn)速,則產(chǎn)生正誤差;如果實(shí)際轉(zhuǎn)速低于設(shè)定的參考轉(zhuǎn)速,則產(chǎn)生負(fù)誤差。此誤差會(huì)饋入P控制器。P1控制器是一種固件算法,用于計(jì)算轉(zhuǎn)速偏差的補(bǔ)償值。在初始PWM占空比的基礎(chǔ)上加