基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)單相無刷電機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于小功率電機(jī)應(yīng)用，成本比復(fù)雜性更為重要，并且對(duì)轉(zhuǎn)矩的平順性要求較低，因此單相無刷直流(BLDC)電機(jī)是三相電機(jī)或兩相電機(jī)不錯(cuò)的替代方案。此類電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，因此成本較低。此外，它只需要使用一個(gè)電樞位置傳感器和幾個(gè)MOSFET即可控制電機(jī)繞組。

對(duì)于小功率電機(jī)應(yīng)用，成本比復(fù)雜性更為重要，并且對(duì)轉(zhuǎn)矩的平順性要求較低，因此單相無刷直流(BLDC)電機(jī)是三相電機(jī)或兩相電機(jī)不錯(cuò)的替代方案。此類電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，因此成本較低。此外，它只需要使用一個(gè)電樞位置傳感器和幾個(gè)MOSFET即可控制電機(jī)繞組。

本文介紹的基于MCU的驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)單相無刷電機(jī)的控制，它會(huì)利用兩個(gè)反饋回路。一個(gè)是內(nèi)層回路，負(fù)責(zé)控制換向;另一個(gè)是外層回路，負(fù)責(zé)控制轉(zhuǎn)速。電機(jī)轉(zhuǎn)速以外部模擬電壓。作為參考，而且會(huì)檢測(cè)出過流和過溫故障。

圖1顯示了基于Microchip的8位單片機(jī)PIC16F1613的單相驅(qū)動(dòng)器。選擇這款單片機(jī)是因?yàn)槠湟_數(shù)較少，并且片上外設(shè)可以控制驅(qū)動(dòng)器開關(guān)、測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速、預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)子位置以及實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)。本應(yīng)用使用以下外設(shè)：互補(bǔ)波形發(fā)生器(CWG)、信號(hào)測(cè)量定時(shí)器(SMT)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)、捕捉/比較/脈寬調(diào)制(CCP)、固定參考電壓(FVR)、定時(shí)器、比較器和溫度指示器。上述外設(shè)通過固件在內(nèi)部進(jìn)行連接，因此可減少所需的外部引腳數(shù)。其中值得一提的是，互補(bǔ)波形發(fā)生器是一個(gè)好東西，由專門的硬件電路產(chǎn)生適合驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的互補(bǔ)信號(hào)，大大簡(jiǎn)化了程序設(shè)計(jì)。

全橋電路由CWG輸出進(jìn)行控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞組，霍爾傳感器用于確定轉(zhuǎn)子位置。流過電機(jī)繞組的電流通過檢測(cè)電阻Rshunt轉(zhuǎn)換為電壓，從而實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。轉(zhuǎn)速以外部模擬輸入作為參考。圖2顯示了電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制框圖。

對(duì)于本設(shè)計(jì)，電機(jī)額定電壓為5V，額定轉(zhuǎn)速為2400轉(zhuǎn)/分鐘。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電源電壓為9V。改變MOSFET的額定電壓和導(dǎo)通電阻可以輕易適應(yīng)從3.3V~100V不同的電壓和對(duì)應(yīng)的功率等級(jí)。參考轉(zhuǎn)速可以是任一模擬輸入，比如一個(gè)電位器和固定電阻組成的分壓器，非常方便調(diào)速。PIC16F1613單片機(jī)的ADC模塊具有10位分辨率以及最多8個(gè)通道，因此適用于各類模擬輸入。ADC模塊用于提供參考轉(zhuǎn)速和初始PWM占空比，從而根據(jù)參考轉(zhuǎn)速源對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行初始化。

內(nèi)層回路

內(nèi)層反饋回路負(fù)責(zé)控制換向。

馬達(dá)驅(qū)動(dòng)就好像猴子推秋千一樣，需要在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)候用力?；魻杺鞲衅髫?fù)責(zé)告訴單片機(jī)何時(shí)用力。全橋驅(qū)動(dòng)就好像在左邊還有一個(gè)猴子，我們還要決定是哪邊的猴子要用力。CWG輸出用于控制定子繞組的激勵(lì)，它取決于霍爾傳感器輸出的狀態(tài)(霍爾傳感器輸出將通過比較器與FVR進(jìn)行比較)。將使能比較器遲滯，以屏蔽傳感器輸出中的噪聲。比較器輸出可在正向全橋模式與反向全橋模式之間切換，從而使電機(jī)實(shí)現(xiàn)順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。CWG輸出將饋入全橋電路的開關(guān)的輸入。要生成一個(gè)電氣周期，必須執(zhí)行一次正反向組合。電機(jī)機(jī)械旋轉(zhuǎn)一周需要兩個(gè)電氣周期，因此必須執(zhí)行兩次正反向組合電機(jī)才能完成一次順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

全橋電路

圖3所示的全橋電路主要由兩個(gè)P溝道MOSFET(用作上橋臂開關(guān))和兩個(gè)N溝道MOSFET(用作下橋臂開關(guān))組成。P溝道晶體管的主要優(yōu)勢(shì)在于可以在上橋臂開關(guān)位置輕松實(shí)現(xiàn)柵極驅(qū)動(dòng)，從而降低上橋臂柵極驅(qū)動(dòng)電路的成本。但這種組合上橋臂開關(guān)和下橋臂開關(guān)有可能同時(shí)導(dǎo)通，就是常說的跨越導(dǎo)通，應(yīng)極力避免這種狀況，否則將產(chǎn)生直通電流，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器元件損壞。

為避免跨越導(dǎo)通，可使用CWG的計(jì)數(shù)器寄存器來實(shí)現(xiàn)死區(qū)延時(shí)。這樣可避免輸出信號(hào)發(fā)生重疊，繼而防止上橋臂和下橋臂同時(shí)導(dǎo)通。理想情況下，N溝道MOSFET和P溝道MOSFET應(yīng)具有相同的導(dǎo)通電阻(RDSon)和總柵極電荷QG，以便獲得最佳的開關(guān)特性。因此，最好選擇一對(duì)互補(bǔ)的MOSFET來匹配上述參數(shù)。

但實(shí)際上，由于互補(bǔ)MOSFET的結(jié)構(gòu)不同，無法完全達(dá)到此要求;P溝道器件的芯片尺寸必須是N溝道器件的2到3倍才能匹配RDSon性能。但是，芯片尺寸越大，QG的影響也越大。因此，選擇MOSFET時(shí)，務(wù)必先確定RDSon和QG二者中哪個(gè)對(duì)開關(guān)性能的影響更大，然后再相應(yīng)地進(jìn)行選擇。

故障檢測(cè)

若轉(zhuǎn)矩負(fù)載超出允許的電機(jī)轉(zhuǎn)矩負(fù)載最大值，可能會(huì)導(dǎo)致電機(jī)停轉(zhuǎn)，從而使近似短路電流流過繞組。因此，為保護(hù)電機(jī)，必須實(shí)現(xiàn)過流和停轉(zhuǎn)故障檢測(cè)。為了實(shí)現(xiàn)過流檢測(cè)，本設(shè)計(jì)中有Rshunt，該電阻會(huì)根據(jù)流過電機(jī)繞組的電流提供相應(yīng)的電壓。電阻兩端的壓降隨電機(jī)電流線性變化。該電壓將饋入比較器的反相輸入并與參考電壓進(jìn)行比較，參考電壓基于Rshunt電阻與允許的電機(jī)停轉(zhuǎn)電流最大值之積。參考電壓可由FVR提供，并可通過DAC進(jìn)一步縮小。這樣便可以使用非常小的參考電壓，從而將電阻保持在較低水平，進(jìn)而降低Rshunt的功耗。為了濾除噪聲和保護(hù)單片機(jī)的IO，Rshunt上的信號(hào)通過R8，C5這個(gè)低通濾波器接入單片機(jī)，會(huì)造成一定時(shí)間的延遲觸發(fā)，可以根據(jù)需要略微調(diào)整低通濾波器的時(shí)間常數(shù)。

如果Rshunt電壓超出參考電壓，比較器輸出會(huì)觸發(fā)CWG的自動(dòng)關(guān)斷功能，并且只要故障存在，CWG的輸出便會(huì)保持無效狀態(tài)。過溫故障可通過器件的片上溫度指示器進(jìn)行檢測(cè)，溫度指示器的測(cè)量范圍為-40?C至+85?C。指示器的內(nèi)部電路會(huì)隨著溫度的不同而產(chǎn)生不同的電壓，然后通過ADC將此電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。為提高溫度指示器的精確度，可實(shí)施單點(diǎn)校準(zhǔn)。

下圖是馬達(dá)繞向和電流圖，供debug使用。

外層回路

圖2中所示的外層回路用于控制電機(jī)在不同條件下的轉(zhuǎn)速，例如負(fù)載需求、干擾和溫度漂移變化等。轉(zhuǎn)速由SMT測(cè)量。SMT是一款具有時(shí)鐘和門控邏輯的24位計(jì)數(shù)定時(shí)器，經(jīng)配置可用于測(cè)量多種數(shù)字信號(hào)參數(shù)，如脈沖寬度、頻率、占空比以及兩輸入信號(hào)邊沿之間的時(shí)間差。可通過SMT的周期和占空比采集模式測(cè)量電機(jī)的輸出頻率。在此模式下，SMT信號(hào)的占空比或周期都可基于SMT時(shí)鐘進(jìn)行采集。SMT會(huì)計(jì)算單個(gè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的SMT時(shí)鐘數(shù)，然后將結(jié)果存儲(chǔ)于捕捉周期寄存器中。使用該寄存器可獲得電機(jī)的實(shí)際頻率。將實(shí)際轉(zhuǎn)速與參考轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較時(shí)，如果實(shí)際轉(zhuǎn)速高于設(shè)定的參考轉(zhuǎn)速，則產(chǎn)生正誤差;如果實(shí)際轉(zhuǎn)速低于設(shè)定的參考轉(zhuǎn)速，則產(chǎn)生負(fù)誤差。此誤差會(huì)饋入PI控制器。PI控制器是一種固件算法，用于計(jì)算轉(zhuǎn)速偏差的補(bǔ)償值。在初始PWM占空比的基礎(chǔ)上加減此補(bǔ)償值可得到新的占空比值。

主程序框圖：

速度控制框圖：

中斷處理流程：

結(jié)論

在成本敏感型電機(jī)控制應(yīng)用中，高效而靈活的單片機(jī)可大顯身手。器件效率可針對(duì)外設(shè)集成度進(jìn)行測(cè)量，從而優(yōu)化控制任務(wù)、引腳和存儲(chǔ)器數(shù)量以及封裝尺寸。此外，如果需要不同的設(shè)計(jì)，易用性和上市時(shí)間也會(huì)顯得尤為重要。本文介紹了低成本單片機(jī)如何滿足上述需求，以及如何通過驅(qū)動(dòng)器設(shè)置所需的參考轉(zhuǎn)速、預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)子位置、實(shí)現(xiàn)控制算法、測(cè)量電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速以及執(zhí)行故障檢測(cè)。

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