采用ADuC812的无位置传感器BLDCM控制系统摘要：在全面分析研究了无位置传感器无刷直流电动机运行方式的基础上，阐述了反电势过零检测、相位判断及相位补偿的原理及实现方法，并且为了在较宽的范围内提高无刷直流电动机的调速性能，系统采用高性能ADuC812(兼容8052内核)单片机作为微处理器，实现数字转速闭环控制。 1引 言 无刷直流电动机(以下简称BLDCM)具有体积小、重量轻、高效节能以及易于维护等一系列优点，在许多场合成功替代直流有刷电动机。而无位置传感器BLDCM更具有结构简单、可靠性高和可维护性强等优势，使得它在近几年得到了飞速发展。 目前，对于无位置传感器BLDCM的控制已有一些专用的集成电路。如Philips公司生产的双极性集成电路TDA5142T，Micro Linear公司运用锁相环技术设汁的ML4428等。从专用无位置传感器BLDCM控制芯片的功能与特性上来说，基本上满足系统控制要求，简化了无位置传感器BLDCM的控制，不仅具有限流和保护功能，而且闭环控制也基本满足系统调速性能要求。但是这些专用芯片可扩展性和通用性较低，同时专用芯片使用研究的文章资料较少，调试困难。另外，这些专用芯片在国内不易买到，价格较贵，因此不利于以后向市场推广。因此本文控制系统采用以微处理器为控制核心，这使得控制系统的可扩展性、灵活性、适应性以及参数的可修改性得到了满足。 2系统电机 电机本体采用NdFeB稀土永磁电机，定子三相整距绕组，转子一对极结构。另外，在电机的定子制造工艺上，也采用了先进的无槽设汁，从而消除了电机的齿槽效应，有助于电机外同步起动；并减少了电机的损耗，提高了电机运行效率，在一定程度上减小了转矩脉动。具体数据如下：额定电压36V(DC)，额定功率30W，效率≥70％，额定转速30 000 r／min，调速范围3 000 r／min～35 000 r／min(无级)。 3控制系统设计 3．1数字式速度闭环调速系统总体框图 系统采用PWM调速方式，主功率电路是三相全桥星形电路。电机运行以“两相导通三相六状态”方式运行。控制方式以单片机为核心处理系统的速度数字PI闭环控制、相位判断和补偿以及串行LED转速实时显示等功能。转子位置检测采取反电势过零检测 。系统结构框图如图1所示。 图1 无位置传感器BLDCM数字式速度闭环调速系统总体框图 3．2主控单片机ADuC812 ADuC812采用了MS51内核，但在集成度上远高于其它MS51系列单片机，不但集成了高速、高精度A／D与D／A；还集成了8k Flasll／EE ROM，软件仿真时在线刷新(不需要开发机)，调试方便；另外，还集成大容量RAM、Data ROM。这些使得运用ADuC812在设计硬件电路时，控制电路大大简化，可靠性提高，调试方便。最大的缺点在于它仍然使用MS51指令集。 由于本系统控制对象为无位置传感器BLDCM，反电势检测信号要送到单片机，经相位补偿后输出。在此期间，单片机要对位置信号的变化作出及时反应，所以现采用外部中断模式，以保证对反电势检测信号的及时处理。现将反电势信号经如下逻辑合成处理：INT0 = HA·HB + HA·HC + HB·HC 式中：HA、HB、HC、一 三相反电势检测电路输出信号。 处理后的信号送至单片机的INT0这样将在合成信号的下降沿触发外部中断INT0。但是当上升沿到来时却触发不了中断，为了达到上升沿也能触发中断，把合成后的信号INT0取反至单片机的INT1这样，当逻辑合成信号上升沿到来时，将触发外部中断INT1。采用这种构思，当三相反电势信号任一发生变化(上升沿或下降沿到来)时，不是触发INT就是触发INT就能保证对三相反电势信号的及时处理， 3．3位置检测电路 位置检测选用技术较成熟的反电势过零检测。反电势检测电路须选择性能优越的低通滤波器(LPF)。在本调速系统中，电机凋速范围从3 000 r／min一35 000 r／min，要保证系统稳定运行，LPF输出不仅要准确，不能漏掉过零点，也不能增加过零点；而且相移要小，最好不超过30°电度角(如果滞后超过30°电角度，对软件设计中相位补偿部分将造成较大困难)。 反电势检测一相原理电路图如图2所示。反电势滤波电路采用二阶无限增益多路反馈。其中运放U1及电阻R1、R2、R3、电容C1、C2组成二阶有源滤波器。电压比较器U2、电阻R5组成过零检测电路，将反电势波形转换为方渡，再通过光电耦合输出到ADuC812的P0口。 需要注意的是需合理选择电阻R2、R3、C2的值，使得电机在最高转速下相移最好不超过30°电度角。 3．4 PWM调制及逻辑合成电路 如图3所示，PWM发生器采用美国通用公司的脉冲调制器SG3525A，开关频率可达200 kHz以上，适合于驱动N沟道MOS功率开关管。它主要包括5 V基准电源、误差放大器、锯齿波振荡器、欠压锁定、慢启动、输出限流及脉宽调制比较器。输出脉冲频率由R8、R9及C3决定。
经对系统分析后，选择PWM振荡频率为16kHz，设计中将SG3525的l脚和9脚短接，使得其内部的误差放大器接成电压跟随器模式，再将单片机D／A输出接至2脚。这样，PWM的占空比就由2脚的电压控制。SG3525的PWM输出是两路互差180°的互补信号，每一路最大的占空比为50％一这两路PWM信号接至U5(GALl6V8)中，与补偿后的位置信号PA、PB、PC、BH(保护信号)及KC(开机信号，低电平有效)等信号进行逻辑合成，生成六路功率开关管栅极动作信号．而后经ULN2003驱动电路(U6起到反相、电流放大的作用)，助推后送至功率驱动电路 3．5功率驱动电路 功率驱动电路的主控芯片采用IR2130，电路如图4所示。IR2130的六个输入信号（图4中G1~G6）中任何一个为逻辑低电平时，相应的输出为高电平，以驱动功率管M0SFET。IR2130采用单电源(15 V)供电，其内部带有欠压保护电路，当电源低于8．9 V时，所有输出信号将关闭。另外，每一个高侧输出都设有一个欠压自锁电路，当高侧悬浮偏压源低于8 2 V时，则高侧输出信号被封锁。悬浮偏压源由自举二极管D1～D3，自举电容C10~C12构成。自举电容值的大小取决于功率M0SFET的开关频率及最大开通时间。
同时，为保护功率M0SFET，当主功率电路出现短路、过流故障时，IR2130应封锁六个输出驱动信号。现将主功率母线上串一取样电阻，并通过分压网络W1、R16接至IR2130的9 脚，当9脚电压超过O．5 V时，IR2l 30的8脚(故障输出)OC门变为低电平，输出故障信号FLT，送至U5(BH)，以封锁功率开关管的六个驱动信号S1～S6。当调节电位器W1时，也就调整了保护电流整定值。 IR2130的输出阻抗很小，可以快速开关功率MOSFET。这样，MOSFET漏源极电压上会产生剧烈振荡，而带来不希望的射频干扰和使dV/dt增大。为此。在栅极上串一无感电阻以降低振荡，通常来说，如果栅极电阻增大，开关时间变长，开关损耗增大，但尖峰电压和电流减小；当栅极电阻减小时，所带来的影响与之相反。 3． 6主功率电路 功率主电路原理图如图5所示。在该系统中，主电路为三相全桥结构，无刷直流电动机星型接法，以“两相导通三相六状态”方式运行，即每～状态中有两相绕组通电(两只功率管导通，一上一下)，每只功率管导通120°电角度，每过60°电角度，有一只功率管切换．电机每转过：360°电角度，共有六种磁 正转时(顺时针)，六只功率管(MOSFET)导通顺序为T1、T6、T1T2、T3T2、T3T4、T5T4及T5T6；反转时(逆时针)，导通顺序为T1T6、T5T6、T5T4、T3T4、T3T2及T1T2，因而每当电机运行360°电角度时，定子就有六种磁势状态，互差60°电角度，呈跳跃式、不连续。 4结语 在上述电路构成的电路基础上，同单片机实现软件PI控制，最终在测试中取得满意的闭环特性。整个系统的的优越性表现为： (1)系统电路整体结构紧凑、可靠性高、调试方便。 (2)本系统中电机转子位置检测方法采用电机反电势交叉过零法。反电势测电路输出的位置信号波形清晰、整洁，没有多余的尖脉冲或宽脉冲，并且占空比保持为50％，这说明了反电势检测电路滤波电路设计是比较成功的。如图6、7所示。 （a）n = 35000r/min (b) n = 22000r/min 图6A绕组反电势及反电势检测电路输出波形图 (3)采用IR2130为功率驱动核心，一片就可驱动六只功率MOSFET，驱动电路可靠、安全，并且具有过流关断以及欠压保护。 (4)由于采用新型高集成度的单片机ADuc812为控制核心，其内部集成r EEPROM、A／D、D／A，使得主控电路的设汁得到了极大简化。 (5)由于采用反电势过零检测转子位置，因而必然存在当电机在停转或转速过低时，反电势无法检测。在本系统中，采用了三段式起动方法，经过精心调整后，使得电机外同步起动可靠、稳定。
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