微型无刷直流电机的无位置传感器控制

微型无刷直流电机的无位置传感器控制
0 引言
    在一些应用场合要求使用的电机体积小、效率高、转速高，微型永磁无刷直流电机能够较好地满足要求。因为电机体积较小，安装位置传感器困难，所以微型无刷直流电机的无位置传感器控制就显得尤为必要。
    无刷直流电机的无位置传感器控制的难点在于转子位置信号的检测，目前国内外研究人员提出了诸多方法，其中反电动势法最为简单、可靠，应用范围最广泛。普遍采用的控制方案为基于dsp的控制和基于专用集成电路的控制等，但是其价格高、体积大，不利于用在微型电机控制器中。本文介绍基于c8051f330单片机、检测反电动势法的无位置传感器无刷直流电机的控制器，系统结构简单，体积超小型，价格低廉，运行性能良好。
1 无传感器无刷直流电机的控制方式
    实现无刷直流电机电子换相及pwm控制的逆变器主电路如图1a所示。采用两两通电方式，即每一个瞬间有两个功率管导通，每隔60°电角度换相1次，每一功率管导通120°电角度。功率管的导通顺序是：v6v1→v1v2→v2v3→v3v4→v4v5→v5v6。
    在方波无刷直流电机中，定子绕组的反电动势波形(即气隙磁通波形)为正负对称的梯形波，如图1b所示。从图中可以看出当检测到不通电相绕组的反电动势为零时，以此作为起点滞后30°电角度，即为最佳换相时刻。因此只要测出各相反电动势的过零点就可获得三相电机所需的6个关键位置信号，进而实现定子绕组的正确换流。电动机绕组中性点0一般未引出，直接测定绕组反电动势相值比较困难，而便于测量的是三相定子绕组对地的端电压。端电压过中点(直流电源电压的一半)与反电动势过零点在时间上是重合的，所以寻找反电动势的过零点后30°电角度即相当于寻找端电压的过中点后30°电角度。
2 控制系统设计
2．1 硬件电路设计
    系统的硬件电路图如图2所示，以c8051f330单片机、逆变桥电路、端电压检测电路、稳压电路等组成。本电路设计得非常简洁，各种元器件都使用小型的贴片封装，非常适合对成本和体积都比较敏感的微型电机控制器。
    逆变桥电路中上桥臂为p型mosfet器件fds6679，下桥臂为n型mosfet器件m4410b，均为低电压驱动器件。fds66 79通过一个npn型三极管驱动，而m441 0b由c8051f330的p1口直接驱动(p1口设置成推挽输出)。pwm控制模式定为：pwm仅应用于半桥的下端mosfet，同时换流的上端(对角线)mosfet仅起换相通断控制。
    电源电压和电流的检测：当uv相通电，在pwm开通期间检测u相的端电压uu，由于mosfet的通态电压很小(小于0．1v)，端电压uu可以近似看作是电源电压ud；在下桥臂源极和电源地之间串接采样电阻，通过p0．4口检测电阻电压得到电流值，输入信号先经过内部可编程增益放大器放大，再作a／d转换。
2．2 软件设计
    软件主要有初始化程序、电机起动程序、端电压检测及换相程序、电压和电流保护程序、运行控制程序等组成。共有四个中断：pwm中断、adc 中断、t1中断、t2中断。其中t2中断实现电机起动程序，pwm中断在pwm开通期间启动adc中断，在adc中断中进行端电压检测，当检测到反电动势过零点时启动t1中断完成换相。主程序如图3所示。
2．2．1g8051 f330的初始化
    由于c8051f330单片机与8051单片机在内部资源上有差异，所以它们的初始化有所不同。主要有两点不同：对外引脚的交叉开关的配置；对系统时钟源的配置。考虑到用户自己写初始化程序很繁琐，silicon labs公司推出了c8051f单片机初始化代码生成程序软件config2version 1．30。用户只要在图形化的界面上用鼠标点击选择，就可以方便地生成c8051f330的初始化程序。大大加快了用户的开发速度。
2．2．2 pwm波输出控制
    c8051f330的可编程计数器阵列(pca)由一个专用的16位计数器／定时器和3个16位捕捉／比较模块组成，恰好可以实现3路8位pwm或16位pwm功能。pca的16位计数器／定时器的高字节pcaoh和低字节pcaol决定pwm波的频率，通过改变捕捉／比较模块的高字节pcaocphn和低字节pcaocpln就可以改变pwm波的占空比。
2．2．3 端电压检测及换相
    反电动势换相信号检测：在pwm开通期间启动adc，检测处于不通电相绕组的端电压，其值等于电源电压的一半时为反电动势过零点信号。要考虑：a．adc检测时刻应与pwm同步，并选择pwm开通时间的中点为佳，以避开开关状态的瞬态电压噪声。b．在软件中应舍弃换相后的最初几个反电动势采样点，因为换相后绕组电流不会立即为零，要经过一个续流过程才下降为零。程序如图4所示。使用定时器0记录连续监测到两个端电压过零点的时间，除以2即为30°电角度的时间，把此时间装载到定时器1中，定时器1经过30°电角度时间触发中断，调用换相子程序进行电子换相。
3 实验结果及结论
    实验样机采用长沙方圆模型厂生产的无传感器无刷直流电机，型号为1208436，额定参数为，转速：4100r／v，2对极，最大电流：4a，内阻：0．59ω，空载电流：0．3a。实验平台如图5所示。
    当电源电压为10v、pwm占空比为20％、空载时，端电压波形图如图6所示。从图中看出，换相时间为0．6ms左右，端电压波形是较好的梯形波。根据电机额定参数计算换相时间为0．609ms(60°电角度)，可见换相时间比较准确。通过实验证明，采用上述控制技术，电机系统起动平稳，无振动和失步现象，同时系统具有结构简单、小型化、低成本、运行可靠、调速性能良好的优点。