微型無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制

0 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?yàn)?a class="contentlabel" href="http://www.104case.com/news/listbylabel/label/電機(jī)">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(diǎn)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(jià)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(jià)格低廉，運(yùn)行性能良好。

1 無傳感器無刷直流電機(jī)的控制方式

實(shí)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(gè)瞬間有兩個(gè)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(shí)，以此作為起點(diǎn)滯后30°電角度，即為最佳換相時(shí)刻。因此只要測出各相反電動勢的過零點(diǎn)就可獲得三相電機(jī)所需的6個(gè)關(guān)鍵位置信號，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)定子繞組的正確換流。電動機(jī)繞組中性點(diǎn)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(diǎn)(直流電源電壓的一半)與反電動勢過零點(diǎn)在時(shí)間上是重合的，所以尋找反電動勢的過零點(diǎn)后30°電角度即相當(dāng)于尋找端電壓的過中點(diǎn)后30°電角度。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

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(jì)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(gè)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(shí)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。