微型無刷直流電機的無位置傳感器控制

0 引言

在一些應用場合要求使用的電機體積小、效率高、轉速高，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子位置信號的檢測，目前國內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。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，系統結構簡單，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：V6V1→V1V2→V2V3→V3V4→V4V5→V5V6。

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 控制系統設計

2.1 硬件電路設計

系統的硬件電路圖如圖2所示，以C8051F330單片機、逆變橋電路、端電壓檢測電路、穩壓電路等組成。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，均為低電壓驅動器件。FDS66 79通過一個NPN型三極管驅動，而M441 0B由C8051F330的P1口直接驅動(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，輸入信號先經過內部可編程增益放大器放大，再作A/D轉換。