基于中穎SH79F168單片機的航模無(wú)刷電調方案

摘要：本文提出了一種采用中穎8位單片機SH79F168作為主控芯片的航模無(wú)刷電調方案，用AD采樣的方法進(jìn)行反電動(dòng)勢檢測以控制無(wú)位置傳感器的無(wú)刷直流電機。該芯片內部集成了PWM、ADC、增強外部中斷等有針對性的功能模塊，使軟硬件設計都大為簡(jiǎn)化。經(jīng)實(shí)際項目應用，該系統運行穩定可靠，且與市面上的其它控制方案相比具有成本優(yōu)勢。

1 概述

無(wú)位置傳感器的無(wú)刷直流電機（Brushless Direct Current Motor, BLDCM）由于其快速、可靠性高、體積小、重量輕等特點(diǎn)，在航模領(lǐng)域得到了廣泛的應用。但是與有刷電機和有位置傳感器的無(wú)刷直流電機相比，其控制算法要復雜得多。加上航模設計中對重量和體積的要求非常嚴格，因此要求硬件電路盡可能簡(jiǎn)單，更增加了軟件的難度。

本文提出了一種基于中穎8位單片機SH79F168的控制方案，借助于該芯片片內集成的針對電機控制的功能模塊，只需很少的外圍電路即可搭建控制系統，實(shí)現基于反電動(dòng)勢法的無(wú)位置傳感器BLDC控制，在保證穩定性和可靠性的基礎上大大降低了系統成本。而且該芯片與傳統8051完全兼容，易于上手，從而也降低了研發(fā)成本。

2 系統硬件設計

本方案選用中穎的8位單片機SH79F168做為主控芯片。該芯片采用優(yōu)化的單機器周期8051核，內置16K FLASH存儲器，兼容傳統8051所有硬件資源，采用JTAG仿真方式，內置16.6M振蕩器，同時(shí)擴展了如下功能：

• 雙DPTR指針. 16位 x 8乘法器和16位/8除法器.

• 3通道12位帶死區控制PWM,6路輸出,輸出極性可設為中心或邊沿對齊模式；同時(shí)集成故障檢測功能,可瞬時(shí)關(guān)閉PWM輸出；

• 7通道10位ADC模塊；

• 內置放大器和比較器,可用作電流放大采樣和過(guò)流保護；

• 增強的外部中斷，提供4種觸發(fā)方式；

• 提供硬件抗干擾措施；

• Flash自編程功能,方便存儲參數；

主系統硬件架構如圖1所示，從圖中可以看出該系統大部分功能都由片內集成的模塊完成。外圍電路的簡(jiǎn)化一方面可以提高系統可靠性，另一方面也降低了成本。

圖 1 系統硬件架構

三相逆變橋采用上橋PMOS用三極管驅動(dòng)，下橋NMOS用PWM端口直接驅動(dòng)的方式，如圖2所示。

圖 2 三相逆變橋

SH79F169片內集成了三通道6路PWM端口，可分別獨立配置為PWM輸出或者IO輸出。將PWM01~PWM21配置為PWM輸出，直接驅動(dòng)三相逆變橋的下橋；PWM0~PWM2配置為IO端口，經(jīng)過(guò)晶體管反相電路后驅動(dòng)三相逆變橋的上橋。

外部中斷輸入INT4x配置為雙沿觸發(fā)，即輸入信號的上升沿和下降沿都能觸發(fā)中斷，可用于捕捉調速給定信號。

3 系統軟件設計

由于SH79F168的硬件已經(jīng)完成了大量的任務(wù)，軟件的部分相對簡(jiǎn)化很多。主程序流程圖如圖3所示。

圖 3 主程序流程圖

為便于理解，該流程圖經(jīng)過(guò)了盡量的簡(jiǎn)化，只保留最關(guān)鍵的步驟。主流程中沒(méi)有列出“檢測BEMF”和“換相”兩個(gè)關(guān)鍵的步驟，因為它們分別在PWM中斷和timer0中斷中進(jìn)行。

3.1 反電動(dòng)勢過(guò)零點(diǎn)檢測

在PWM輸出高期間，假設斷開(kāi)相繞組端電壓為 ，反電動(dòng)勢為 ，供電電壓為 ，則三者之間有如下關(guān)系[1]：

SH79F168提供PWM周期中斷和占空比中斷。當周期中斷發(fā)生時(shí)不斷檢測斷開(kāi)相的端電壓，并與 比較，直到檢測到過(guò)零點(diǎn)或者PWM輸出低（根據PWM占空比中斷標志位判斷），即可實(shí)現在PWM輸出高期間的反電動(dòng)勢過(guò)零點(diǎn)檢測。每次換相后就切換到另一個(gè)通道，檢測下一個(gè)斷開(kāi)相的端電壓，如此循環(huán)，實(shí)現實(shí)時(shí)檢測。

需要注意是剛換相后的一段時(shí)間內，由于MOS管的續流，斷開(kāi)相繞組的電壓會(huì )出現尖峰。為了準確檢測反電動(dòng)勢，可以選擇在剛換相的一到兩個(gè)PWM周期內不進(jìn)行采樣，避開(kāi)尖峰電壓。

3.2 起動(dòng)算法

BLDC電機的反電動(dòng)勢和轉速正相關(guān)，在起動(dòng)和低速運行階段，電機產(chǎn)生的反電動(dòng)勢為零或很小，因此往往需要經(jīng)過(guò)一段強制加速，使反電動(dòng)勢上升到能夠檢測過(guò)零點(diǎn)的水平。

航模電機一般在較低速時(shí)即會(huì )產(chǎn)生比較明顯的反電動(dòng)勢，這個(gè)特點(diǎn)為起動(dòng)提供了很大的便利。先給電機任意兩相通電，使電機獲得一個(gè)初速度，這時(shí)檢測斷開(kāi)相電壓并等待其發(fā)生過(guò)零。若檢測到過(guò)零點(diǎn)則換相，若經(jīng)過(guò)較長(cháng)一段時(shí)間還沒(méi)有檢測到過(guò)零則強制換相，重復這個(gè)過(guò)程直至電機穩定運行。這種起動(dòng)方式，不但實(shí)現簡(jiǎn)單，而且穩定可靠。在這種方式不能適用時(shí)，再根據應用場(chǎng)合考慮選用特定的起動(dòng)方式，可參考文獻[2]，限于篇幅本文不詳述。

3.3 換相計算

一般在用反電動(dòng)勢法進(jìn)行BLDC控制的時(shí)候，需要對每?jì)纱螕Q相的間隔時(shí)間進(jìn)行計時(shí)，得到60°電角度時(shí)間，然后除以2作為檢測到過(guò)零點(diǎn)后30°延時(shí)的定時(shí)值。這就需要用到兩個(gè)定時(shí)器/計數器，一個(gè)用作計數器對每?jì)纱螕Q相的間隔進(jìn)行計數，另一個(gè)用作定時(shí)器實(shí)現30°延時(shí)。本方案中為了節省timer資源，用一個(gè)timer同時(shí)完成兩項功能。

在每次換相后，檢測到該通電狀態(tài)下的過(guò)零點(diǎn)之間，timer0用作計數器；在檢測到過(guò)零點(diǎn)之后，之前的計數值即為30°電角度，將其作為定時(shí)值裝入timer0，timer0用作定時(shí)器開(kāi)始定時(shí)。定時(shí)時(shí)間到后，在timer0中斷中進(jìn)行換相。然后timer0又用作計數器，如此循環(huán)。正常情況下，由于電機轉速很高，每次換相到檢測到過(guò)零點(diǎn)之間的時(shí)間很短，timer0在計數模式下不會(huì )發(fā)生中斷。若timer0在計數模式時(shí)發(fā)生中斷，必然是計數溢出，說(shuō)明電機經(jīng)過(guò)較長(cháng)的時(shí)間還沒(méi)有檢測到過(guò)零點(diǎn)，而這可以作為電機堵轉的標志。根據實(shí)際情況，可對timer0在計數模式下連續發(fā)生中斷的次數進(jìn)行計數，超過(guò)一定值即認為發(fā)生堵轉。這樣，timer0還實(shí)現了堵轉保護的功能。