基于Mini51 的BLDCM 無位置傳感器控制

宋建國，袁宇瑞，桓建文

(北京工業(yè)大學 信息學部，北京 100124)

0 引言

在現(xiàn)代技術高速發(fā)展的階段，工業(yè)上需要電機對高速信號實時響應、實時處理的需求已經越發(fā)明顯，理所應當?shù)模瑢τ谛碌母咝阅苄酒陌l(fā)現(xiàn)與應用也變得廣受關注。

新唐的Mini51 系列單片機為32 位的微處理器，內嵌ARM CortexTM-M0 內核，可用于工業(yè)控制和需要高性能、低功耗的應用。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。在電機控制領域，Mini51 系列單片機自身可以產生6 路PWM 信號，并且這6 路信號可以分別調制也可以組合控制，芯片內部同時可以設定死區(qū)時間與啟動延時，便于應用。

傳統(tǒng)的BLDCM 控制都是由位置傳感器傳輸轉子位置信號來進行換相，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，限定了電機的使用場合。本設計采用反電動勢過零檢測[4-5](BEMF)法，通過采樣電阻取得電機的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，利用調節(jié)輸出PWM占空比來進行電機調速，同時監(jiān)測起動電流、穩(wěn)定三相電流、電源電壓等控制驅動電路的通斷來保護電路與電機[9]。通過對比實現(xiàn)無位置傳感器的控制，使得該系統(tǒng)控制方式簡單，結構穩(wěn)定。

1 硬件整體設計思路

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。其內嵌了3 個16 位PWM 發(fā)生器，提供了6 個獨立的PWM輸出或者3 組互補的PWM 輸出。其支持邊沿對齊、中心對齊與故障檢測，每個PWM 都具有單獨時鐘源，可以單獨設定死區(qū)時間也可以單獨發(fā)生中斷。Mini51 系列單片機同樣具有一個10 位的SAR 型ADC，用其去讀取供電電壓、電路電流峰值、當前溫度與當前速度值。同時，內置的2 組模擬比較器ACMP0 與ACMP1 供讀取工作電壓來保護電路，進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系列內嵌了很多外設，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 系列單片機能夠更方便地進行BLDCM 控制。圖2 為Mini51的功能框圖。

圖2 Mini51 的程序框圖

Mini51 系列單片機對于BLDCM 的控制有這些獨特之處：

(1)芯片驅動電源為5 V，具有很強的抗干擾能力。同時使用Cortex-M0 內核，24 MHz/48 MHz 主頻。CPU 的運算速度快使得對于數(shù)據處理迅速，降低了因為數(shù)據處理不及時而引發(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 電路整體控制設計思路

為了控制電機的轉速，轉向以及出于保護電機考慮，本設計選用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 以及內部設定的死區(qū)時間來控制6 組開關管進行開關的切換。通過改變6 路PWM 的占空比來達到控制驅動電壓從而控制電機的目的，同時設定好的死區(qū)時間也可以避免由于MOS管上下管同時導通對電路以及電機造成損害。整體控制結構圖如圖6 所示。

圖6 BLDCM 無位置傳感器整體控制結構

1.3 系統(tǒng)驅動電路設計

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

圖7 模塊IRS21867 逆變驅動電路

1.4 反電動勢過零檢測電路設計

在電機每次換相時，通過ACMP1 來進行反電動勢過零檢測。在此系統(tǒng)中，獲取電機的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，電機一側的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 三個電容進行一定的濾波。在輸入單片機CPP1 的一端串聯(lián)上R8、R10、R12 三個10 kΩ 電阻進行一定限流，保護芯片。同樣在CPN1 端連接R7、R9、R11 三個100 kΩ 電阻，由文獻[11]、[12]可得出點A的電壓即可以作為BLDCM 的中性點電壓。圖8 為反電動勢過零電路設計[13-14]。

圖8 反電動勢過零電路

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 上位機通信設計

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時對電機進行控制與讀取電機目前的各類參數(shù)，其具有強大的數(shù)據處理能力，只需要調用少量的工具包就可實現(xiàn)，簡潔的程序也方便后續(xù)的維護與開發(fā)。故本設計選用LabVIEW 作為上位機，利用UART 串口通信來從Mini52 單片機中接收電機當前轉速、占空比與運行狀態(tài)。同時可以對電機的啟停轉，轉動方向與轉動速度進行精確控制。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)據傳輸準確，采取了發(fā)包與解包的數(shù)據傳輸方式，在接收到包頭包尾并且判斷正確后才會執(zhí)行包內信息，保證了接收不會因為亂碼而執(zhí)行錯誤，加強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.2 軟件系統(tǒng)設計

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。當電機的速度足夠準確檢測到BEMF 時進入PID 閉環(huán)控制[16-17]，當上位機給出轉速需求時進行響應。

3 實驗

以Mini52 作為主控芯片，為航模電機做無位置傳感器控制，該系統(tǒng)改進了傳統(tǒng)電路，在大電流下使用MOS管串聯(lián)來實現(xiàn)分流同時改進軟件方面，設計了過壓過流欠壓剎車等故障的保護措施，實現(xiàn)了BLDCM 的控制。測試采用48 V 直流電源進行供電，經過調試，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，電機可控。圖12 為實際測得的過零點電壓。

圖12 A 相過零點電壓

上位機選用LabVIEW，故可以實時控制電機的轉速，圖13 為給定轉速與電機實際轉速曲線。

圖13 電機轉速跟蹤曲線

4 結論

本設計提出的BLDCM 實時控制方案通過硬件和軟件方面的改進，省去了轉子位置檢測的硬件設施，節(jié)約了成本也減少了整體結構的復雜度，這種控制方案電機啟動穩(wěn)定，對于速度等上位機信息響應快速，增加了電機的可靠性。