驅動(dòng)單相BLDC電機如何使用低成本單片機驅動(dòng)單繞組單相無(wú)刷直流電機

對于低功耗電機應用，成本比復雜性更為重要，并且對轉矩的要求較低，因此單相無(wú)刷直流(BLDC)電機是三相電機不錯的替代方案。

此類(lèi)電機結構簡(jiǎn)單，易于制造，因此成本較低。此外，它只需要使用單位置傳感器和一些驅動(dòng)器開(kāi)關(guān)即可控制電機繞組并為其供電。因此，可以輕松地在電機和控制用電子元器件之間做出權衡。為保持成本效益，需要使用低成本的電機驅動(dòng)器。本文介紹的驅動(dòng)器電路會(huì )利用兩個(gè)反饋回路。一個(gè)是內層回路，負責控制換向;另一個(gè)是外層回路，負責控制轉速。電機轉速以外部模擬電壓作為參考，而且會(huì )檢測出過(guò)流和過(guò)溫故障。

圖1顯示了基于Microchip的8位單片機PIC16F1613的單相驅動(dòng)器。選擇這款單片機是因為其引腳數較少，并且片上外設可以控制驅動(dòng)器開(kāi)關(guān)、測量電機轉速、預測轉子位置以及實(shí)現故障檢測。本應用使用以下外設：互補波形發(fā)生器(CWG)、信號測量定時(shí)器(SMT)、模數轉換器(ADC)、數模轉換器(DAC)、捕捉/比較/脈寬調制(CCP)、固定參考電壓(FVR)、定時(shí)器、比較器和溫度指示器。上述外設通過(guò)固件在內部進(jìn)行連接，因此可減少所需的外部引腳數。

圖1：?jiǎn)蜗?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/BLDC">BLDC驅動(dòng)器框圖

全橋電路為電機繞組供電，且由CWG輸出進(jìn)行控制?；魻?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/傳感器">傳感器用于確定轉子位置。流過(guò)電機繞組的電流通過(guò)檢測電阻Rshunt轉換為電壓，從而實(shí)現過(guò)流保護。轉速以外部模擬輸入作為參考。圖2顯示了電機驅動(dòng)器控制框圖;對于本應用，電機額定電壓為5V，額定轉速為2400轉/分鐘。電機驅動(dòng)器電源電壓為9V。參考轉速可以是任一模擬輸入。單片機的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(lèi)模擬輸入。ADC模塊用于提供參考轉速和初始PWM占空比，從而根據參考轉速源對電機轉速進(jìn)行初始化。

圖2：電機驅動(dòng)器控制框圖

初始占空比可根據比例積分(PI)控制器的結果以及CCP中加載的新占空比值進(jìn)行增減，相應的PWM輸出用作CWG的初始源以控制全橋驅動(dòng)器下橋臂開(kāi)關(guān)的調制，從而控制電機轉速。

內層回路

內層反饋回路負責控制換向。CWG輸出用于控制定子繞組的激勵，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(guò)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，從而使電機實(shí)現順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉。CWG輸出將饋入全橋電路的開(kāi)關(guān)的輸入。要生成一個(gè)電氣周期，必須執行一次正反向組合。電機機械旋轉一周需要兩個(gè)電氣周期，因此必須執行兩次正反向組合電機才能完成一次順時(shí)針旋轉。

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(kāi)關(guān))和兩個(gè)N溝道MOSFET(用作下橋臂開(kāi)關(guān))組成。P溝道晶體管的主要優(yōu)勢在于可以在上橋臂開(kāi)關(guān)位置輕松實(shí)現柵極驅動(dòng)，從而降低上橋臂柵極驅動(dòng)電路的成本。雖然上橋臂開(kāi)關(guān)和下橋臂開(kāi)關(guān)可同時(shí)開(kāi)關(guān)(跨導)，但應避免這種開(kāi)關(guān)操作，否則將產(chǎn)生直通電流，導致驅動(dòng)器元件損壞。為避免這種操作，可使用CWG的計數器寄存器來(lái)實(shí)現死區延時(shí)。這樣可避免輸出信號發(fā)生重疊，繼而防止上橋臂和下橋臂同時(shí)導通。理想情況下，N溝道MOSFET和P溝道MOSFET應具有相同的導通電阻(RDSon)和總柵極電荷QG，以便獲得最佳的開(kāi)關(guān)特性。因此，最好選擇一對互補的MOSFET來(lái)匹配上述參數。但實(shí)際上，由于互補MOSFET的結構不同，無(wú)法達到此要求;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)對開(kāi)關(guān)性能的影響更大，然后再相應地進(jìn)行選擇。

故障檢測

若轉矩負載超出允許的電機轉矩負載最大值，可能會(huì )導致電機停轉，從而使全部電流流過(guò)繞組。因此，為保護電機，必須實(shí)現過(guò)流和停轉故障檢測。要實(shí)現過(guò)流檢測，可在驅動(dòng)電路中添加Rshunt，該電阻會(huì )根據流過(guò)電機繞組的電流提供相應的電壓。電阻兩端的壓降隨電機電流線(xiàn)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電阻與允許的電機停轉電流最大值之積。參考電壓可由FVR提供，并可通過(guò)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。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(wú)效狀態(tài)。

過(guò)溫故障可通過(guò)器件的片上溫度指示器進(jìn)行檢測，溫度指示器的測量范圍為-40?C至+85?C。指示器的內部電路會(huì )隨著(zhù)溫度的不同而產(chǎn)生不同的電壓，然后通過(guò)ADC將此電壓轉換為數字量。為提高溫度指示器的精確度，可實(shí)施單點(diǎn)校準。