單片機C868實(shí)現無(wú)傳感器BLDC電機控制

2004年9月A版

引言

　　BLDC具備諸多優(yōu)勢，例如外型緊湊、結構簡(jiǎn)單、高效率、低噪音、較長(cháng)使用壽命等等，這種電機越來(lái)越廣泛地應用于自動(dòng)化、工業(yè)和消費類(lèi)電子產(chǎn)品等領(lǐng)域。圖1所示為典型的BLDC電機框圖，該電機包括一個(gè)梯形磁通的永磁同步電機、一個(gè)轉子位置檢測器(通常為三個(gè)霍爾傳感器)和一個(gè)驅動(dòng)電機的三相逆變器。另外，必須配置一個(gè)單片機(MCU)，輸出特定的脈沖寬度調制(PWM)模式來(lái)驅動(dòng)BLDC電機。如同一個(gè)傳統直流電機那樣，電機的換流必須與轉子位置同步，用戶(hù)可以通過(guò)改變PWM的占空比來(lái)調節電機轉速。

　　通常，電機中的三個(gè)霍爾傳感器相互成60度角。也就是說(shuō)，每隔60度其中一個(gè)傳感器就會(huì )變換其狀態(tài)，完成一次電循環(huán)需要進(jìn)行6次狀態(tài)變換。在這種情況下，定子的相電流始于霍爾傳感器信號轉換后的30度，保持120度。為了使電機正常運行，MCU的輸出模式(換流順序)應當依據輸入模式(轉子位置信號)來(lái)確定，輸入轉子位置信號模式與輸出PWM模式相結合，即構成換流表。
 

單片機C868和CAPCOM6E單元

　　C868是英飛凌公司8位單片機產(chǎn)品家族中的新成員，可為各種應用和系統提供低成本的先進(jìn)控制功能。借助功能強大的片上PWM發(fā)生單元CAPCOM6E，C868滿(mǎn)足了對低成本、高實(shí)時(shí)性的電力電子控制的所有要求。利用靈活的CAPCOM6E，由硬件/軟件處理所有對時(shí)間要求十分苛刻的任務(wù)，而CPU則處理用戶(hù)命令，并可進(jìn)行相應的控制運算。內置的5通道8位ADC所具備的同步特性有助于測量無(wú)噪音相關(guān)的系統參數。

　　CAPCOM6E可驅動(dòng)多種類(lèi)型的電機(交流異步電機IM、直流無(wú)刷電機BLDC和開(kāi)關(guān)磁阻電機SRM等)，它是基于此類(lèi)PWM單元十多年的研發(fā)的最新成果。CAPCOM6E具備以下特性：

　　—T12具有三個(gè)捕捉/比較通道，每個(gè)通道有兩個(gè)輸出，可用作捕捉通道或比較通道，并且具備死區時(shí)間控制，可避免電源電路出現短路。T12有中心對齊、邊緣對齊、單脈沖觸發(fā)模式和滯環(huán)控制等控制模式。對于BLDC電機控制，通道1可用于捕捉速度，通道2可用作相位延遲，而通道3可用作超時(shí)功能。

　　—T13有一個(gè)獨立的比較通道和1路輸出，可生成高速PWM信號，并控制占空比。T13也支持單脈沖觸發(fā)模式，可與T12同步。PWM信號可自動(dòng)迭加至T12的6路輸出中任何一路(或全部)的有效電平上。對于BLDC電機控制，通過(guò)T13 PWM的占空比調節電機速度。

　　如圖2所示，CC60-CC62和COUT60-COUT62是用于驅動(dòng)電機的6個(gè)基本輸出信號。對于BLDC電機控制，應當通過(guò)三個(gè)輸入口CCPOS0-CCPOS2(轉子位置反饋信號)的狀態(tài)來(lái)控制輸出信號。T13生成的高頻PWM信號具有高達50ns的分辨率，加至T12的CC60-CC62和COUT60-COUT62輸出中的任何一個(gè)有效電平。CTRAP是緊急中斷輸入。如果該輸入為低，CC60-CC62和COUT60-COUT62將立即變?yōu)轭A定義的電平，以實(shí)現過(guò)流/過(guò)壓保護。用戶(hù)僅需設置各種寄存器的值，例如周期寄存器、比較寄存器、偏移寄存器等等，即可快捷地控制CAPCOM6E。

　　值得指出的是借助CAPCOM6E，用戶(hù)可通過(guò)軟件建立任何塊交換表(或狀態(tài)機)，同時(shí)由硬件生成相應的PWM輸出信號。這樣可以非常靈活地實(shí)現任何控制要求。下面的例子是以定義自制的塊交換表的源代碼。數組下標HALL_PATTERNS_NUMBER 從0至5。

// Hall patterns

ubyte HallPatterns [HALL_PATTERNS_NUMBER]=

{

0x25,            // Current=100 Expected=101

0x29,            // Current=101 Expected=001

0x0b,            // Current=001 Expected=011

0x1a,             // Current=011 Expected=010

0x16,            // Current=010 Expected=110

0x34,            // Current=110 Expected=100

};

ubyte PWMPatterns[ HALL_PATTERNS_NUMBER]=

{

0x18,            // U=0 V=- W=+ COUT62/CC62=01 COUT61/CC61=10 COUT60/CC60=00

0x12,            // U=- V=0 W=+ COUT62/CC62=01 COUT61/CC61=00 COUT60/CC60=10

0x06,            // U=- V=+ W=0 COUT62/CC62=00 COUT61/CC61=01 COUT60/CC60=10

0x24,            // U=0 V=+ W=- COUT62/CC62=10 COUT61/CC61=01 COUT60/CC60=00

0x21,            // U=+ V=0 W=- COUT62/CC62=10 COUT61/CC61=00 COUT60/CC60=01

0x09             // U=+ V=-W=0 COUT62/CC62=00 COUT61/CC61=10 COUT60/CC60=01

};

(b)利用A/D轉換器

無(wú)傳感器的BLDC控制

　　在有些應用中，不能使用霍爾傳感器或其它直接檢測轉子位置的方法，因此需要采用間接方法來(lái)檢測轉子位置。對于如圖3中所示的電機運行，探測電機反電勢的過(guò)零點(diǎn)是獲得電機轉子位置最常見(jiàn)的方法。按照120度導電方式, 任何時(shí)間都有一相電機端子沒(méi)有外加電壓，因此可以在該相電機端子檢測電機反電勢來(lái)得知轉子位置。

　　在圖3(a)中，各個(gè)相位使用的霍爾傳感器用三個(gè)電阻分壓器和一個(gè)比較器替代。比較器向C868提供三個(gè)轉子位置信號。CAPCOM6E特別適用于這個(gè)解決方案，因為它的每路輸入均有一個(gè)噪聲濾波器可抑制噪音，并具備相位延遲功能，可調節相位角度，如圖4所示。

　　如圖4所示，通過(guò)設置T12計時(shí)器的死區時(shí)間定時(shí)器，用戶(hù)可以定義噪音抑制窗口，通過(guò)設置T12通道1的比較值，用戶(hù)可以使T12輸出發(fā)生相位延遲，通過(guò)設置T12通道2的比較值，用戶(hù)可以了解有多長(cháng)時(shí)間輸入沒(méi)有變化。T12通道0為捕捉模式，以測量實(shí)際速度。

　　在圖3(b)中，電機端子電壓可由C868的A/D轉換器檢測，A/D轉換可由T13溢出觸發(fā)，通常，反電勢信號有很大噪音，進(jìn)行測量的最佳時(shí)機是在關(guān)閉電力電子開(kāi)關(guān)的器件前的瞬間。此時(shí)正是T13溢出的時(shí)間。因此，每一次T13溢出均會(huì )觸發(fā)一次ADC測量。軟件僅須讀取該值并與預定義的閾值(過(guò)零點(diǎn))進(jìn)行比較。如果達到了該閾值點(diǎn)，軟件將重設T12，以準備下一個(gè)PWM狀態(tài)。當相位延遲結束后(因為反向電動(dòng)勢BEMF過(guò)零點(diǎn)約比換流點(diǎn)提前30度)，T12通道1的比較事件將觸發(fā)換流至下一個(gè)狀態(tài)。實(shí)驗結果表明C868 BLDC系統的A/D方法是切實(shí)有效的。

結語(yǔ)

　　本文介紹了采用英飛凌公司最新推出的8位單片機 C868及其功能強大、靈活自如的PWM發(fā)生單元CAPCOM6E實(shí)現無(wú)傳感器BLDC電機控制系統的方法。C868的CAPCOM6E具有一個(gè)用戶(hù)自定義的塊交換表(狀態(tài)機)，其卓越的靈活性為用戶(hù)提供了很大應用空間，可實(shí)現任何BLDC電機控制方案。C868所帶A/D轉換器的同步功能和CAPCOM6E的相位延遲功能可以進(jìn)行精確的無(wú)噪聲的反電勢測量。實(shí)驗結果證明C868確實(shí)非常適合無(wú)傳感器BLDC電機控制。