宋建國，袁宇瑞，桓建文

(北京工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)部，北京 100124)

0 引言

在現(xiàn)代技術(shù)高速發(fā)展的階段，工業(yè)上需要電機(jī)對高速信號實(shí)時響應(yīng)、實(shí)時處理的需求已經(jīng)越發(fā)明顯，理所應(yīng)當(dāng)?shù)?，對于新的高性能芯片的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用也變得廣受關(guān)注。

新唐的Mini51 系列單片機(jī)為32 位的微處理器，內(nèi)嵌ARM CortexTM-M0 內(nèi)核，可用于工業(yè)控制和需要高性能、低功耗的應(yīng)用。其最快系統(tǒng)時鐘為24 MHz，因而可以支持很廣范圍的工業(yè)控制和需要高性能CPU 的場合。在電機(jī)控制領(lǐng)域，Mini51 系列單片機(jī)自身可以產(chǎn)生6 路PWM 信號，并且這6 路信號可以分別調(diào)制也可以組合控制，芯片內(nèi)部同時可以設(shè)定死區(qū)時間與啟動延時，便于應(yīng)用。

傳統(tǒng)的BLDCM 控制都是由位置傳感器傳輸轉(zhuǎn)子位置信號來進(jìn)行換相，一般都要在外部添加例如光電編碼器[1-2]與霍爾傳感器等[3]。位置傳感器會使得整個控制系統(tǒng)體積增加，成本增加，限定了電機(jī)的使用場合。本設(shè)計(jì)采用反電動勢過零檢測[4-5](BEMF)法，通過采樣電阻取得電機(jī)的UVW 相電壓，并且通過精密電阻采集直流母線電壓，使用六步換相[6-8]策略，利用調(diào)節(jié)輸出PWM占空比來進(jìn)行電機(jī)調(diào)速，同時監(jiān)測起動電流、穩(wěn)定三相電流、電源電壓等控制驅(qū)動電路的通斷來保護(hù)電路與電機(jī)[9]。通過對比實(shí)現(xiàn)無位置傳感器的控制，使得該系統(tǒng)控制方式簡單，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

1 硬件整體設(shè)計(jì)思路

1.1 主控芯片

本系統(tǒng)選取Mini51 系列中的Mini52 作為主控芯片，最小系統(tǒng)由Mini52 以及其外圍電路組成，該芯片的工作電壓范圍為2.5～5.5 V，同時，VDD 引腳的四個去耦電容能保證電源供電的穩(wěn)定性。該芯片具有22 MHz 的內(nèi)部時鐘，最多擁有30 個通用GPIO 引腳，每個I/O 口都可配置為雙向輸出、推挽輸出、開漏輸出或者輸入模式。其內(nèi)嵌了3 個16 位PWM 發(fā)生器，提供了6 個獨(dú)立的PWM輸出或者3 組互補(bǔ)的PWM 輸出。其支持邊沿對齊、中心對齊與故障檢測，每個PWM 都具有單獨(dú)時鐘源，可以單獨(dú)設(shè)定死區(qū)時間也可以單獨(dú)發(fā)生中斷。Mini51 系列單片機(jī)同樣具有一個10 位的SAR 型ADC，用其去讀取供電電壓、電路電流峰值、當(dāng)前溫度與當(dāng)前速度值。同時，內(nèi)置的2 組模擬比較器ACMP0 與ACMP1 供讀取工作電壓來保護(hù)電路，進(jìn)行三相反電動勢過零比較來確定換相時間。圖1 為Mini52 的最小系統(tǒng)。

圖1 Mini52 最小系統(tǒng)

NuMicro MINI51TM系列內(nèi)嵌了很多外設(shè)，如：I/O 口、定時器、UART、SPI、I2C、PWM、ADC、看門狗和低電壓檢測等，這使得Mini51 系列單片機(jī)能夠更方便地進(jìn)行BLDCM 控制。圖2 為Mini51的功能框圖。

圖2 Mini51 的程序框圖

Mini51 系列單片機(jī)對于BLDCM 的控制有這些獨(dú)特之處：

(1)芯片驅(qū)動電源為5 V，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。同時使用Cortex-M0 內(nèi)核，24 MHz/48 MHz 主頻。CPU 的運(yùn)算速度快使得對于數(shù)據(jù)處理迅速，降低了因?yàn)閿?shù)據(jù)處理不及時而引發(fā)的錯誤。

(2)芯片通過對PHCHG 寄存器的讀寫完成PWM+GPIO+ACMP的切換，圖3為PHCHG位寄存器。圖4 為A+B-時各位的值。

圖3 PHCHG 寄存器

圖4 A+B-時各位的值

(3)ACMP 比較門限動態(tài)變動，消除檢過零抖動[10]。圖5 為提高比較器門限的方式。

圖5 提高比較器門限電路

與傳統(tǒng)斯密特電路在大干擾時門限會變化相區(qū)別，Mini51 系列芯片每次換相P0.0 改變輸出來調(diào)整比較器門限，檢過零上升沿時P0.0 輸出高電平，增加比較門限，檢過零下降沿時P0.0 輸出低，降低比較門限。

1.2 電路整體控制設(shè)計(jì)思路

為了控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)向以及出于保護(hù)電機(jī)考慮，本設(shè)計(jì)選用Mini52(Mini51 系列中的一種)作為主控芯片，依靠該芯片自身的6 路組合PWM 以及內(nèi)部設(shè)定的死區(qū)時間來控制6 組開關(guān)管進(jìn)行開關(guān)的切換。通過改變6 路PWM 的占空比來達(dá)到控制驅(qū)動電壓從而控制電機(jī)的目的，同時設(shè)定好的死區(qū)時間也可以避免由于MOS管上下管同時導(dǎo)通對電路以及電機(jī)造成損害。整體控制結(jié)構(gòu)圖如圖6 所示。

圖6 BLDCM 無位置傳感器整體控制結(jié)構(gòu)

1.3 系統(tǒng)驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

由于Mini52 的6 路PWM 輸出高電平為5 V，為了提高驅(qū)動能力，因此選用了IRS21867 作為驅(qū)動芯片使得輸出電平在10 V 左右，提高了整個電路的驅(qū)動能力。由于本設(shè)計(jì)中負(fù)載電流約為150 A，高電流會在電路上產(chǎn)生高熱量，而電流又與轉(zhuǎn)速相關(guān)，故需求選用高壓大功率的MOS 作為逆變橋電路，故在圖1 中的逆變驅(qū)動電路中選用總共6 組每組5 個的FDMS86150 型號的MOS管進(jìn)行串聯(lián)分流。圖7 為IRS21867 作為驅(qū)動的電路。

圖7 模塊IRS21867 逆變驅(qū)動電路

1.4 反電動勢過零檢測電路設(shè)計(jì)

在電機(jī)每次換相時，通過ACMP1 來進(jìn)行反電動勢過零檢測。在此系統(tǒng)中，獲取電機(jī)的UVW 三相電壓值，因在50 V 以下直流電源作用下，故選取1/10 分壓，同時，電機(jī)一側(cè)的UVW 信號由于繞組對稱問題、磁路飽和問題、渦流問題等易于出現(xiàn)較多諧波分量與高頻信號，故添加了C1、C2、C3 三個電容進(jìn)行一定的濾波。在輸入單片機(jī)CPP1 的一端串聯(lián)上R8、R10、R12 三個10 kΩ 電阻進(jìn)行一定限流，保護(hù)芯片。同樣在CPN1 端連接R7、R9、R11 三個100 kΩ 電阻，由文獻(xiàn)[11]、[12]可得出點(diǎn)A的電壓即可以作為BLDCM 的中性點(diǎn)電壓。圖8 為反電動勢過零電路設(shè)計(jì)[13-14]。

圖8 反電動勢過零電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 上位機(jī)通信設(shè)計(jì)

LabVIEW(虛擬儀器)[15]作為時興的圖形化語言，能夠極大地方便用戶去實(shí)時對電機(jī)進(jìn)行控制與讀取電機(jī)目前的各類參數(shù)，其具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，只需要調(diào)用少量的工具包就可實(shí)現(xiàn)，簡潔的程序也方便后續(xù)的維護(hù)與開發(fā)。故本設(shè)計(jì)選用LabVIEW 作為上位機(jī)，利用UART 串口通信來從Mini52 單片機(jī)中接收電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速、占空比與運(yùn)行狀態(tài)。同時可以對電機(jī)的啟停轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動方向與轉(zhuǎn)動速度進(jìn)行精確控制。圖9 與圖10 為Lab-VIEW 的部分程序框圖與前面板。

圖9 部分程序框圖

圖10 前面板

為使數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確，采取了發(fā)包與解包的數(shù)據(jù)傳輸方式，在接收到包頭包尾并且判斷正確后才會執(zhí)行包內(nèi)信息，保證了接收不會因?yàn)閬y碼而執(zhí)行錯誤，加強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖11 為軟件主流程圖。

圖11 軟件主流程圖

系統(tǒng)初始化包含了控制單元初始化、內(nèi)部時鐘初始化、ADC 初始化、定時器初始化、UART 初始化、PWM 模塊初始化、系統(tǒng)中斷初始化等。當(dāng)電機(jī)的速度足夠準(zhǔn)確檢測到BEMF 時進(jìn)入PID 閉環(huán)控制[16-17]，當(dāng)上位機(jī)給出轉(zhuǎn)速需求時進(jìn)行響應(yīng)。

3 實(shí)驗(yàn)

以Mini52 作為主控芯片，為航模電機(jī)做無位置傳感器控制，該系統(tǒng)改進(jìn)了傳統(tǒng)電路，在大電流下使用MOS管串聯(lián)來實(shí)現(xiàn)分流同時改進(jìn)軟件方面，設(shè)計(jì)了過壓過流欠壓剎車等故障的保護(hù)措施，實(shí)現(xiàn)了BLDCM 的控制。測試采用48 V 直流電源進(jìn)行供電，經(jīng)過調(diào)試，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，電機(jī)可控。圖12 為實(shí)際測得的過零點(diǎn)電壓。

圖12 A 相過零點(diǎn)電壓

上位機(jī)選用LabVIEW，故可以實(shí)時控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，圖13 為給定轉(zhuǎn)速與電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速曲線。

圖13 電機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤曲線

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)提出的BLDCM 實(shí)時控制方案通過硬件和軟件方面的改進(jìn)，省去了轉(zhuǎn)子位置檢測的硬件設(shè)施，節(jié)約了成本也減少了整體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，這種控制方案電機(jī)啟動穩(wěn)定，對于速度等上位機(jī)信息響應(yīng)快速，增加了電機(jī)的可靠性。