基于SH79F1611無刷電機的無傳感器控制系統(tǒng)分析和設計

徐德信

（山東省聊城市東昌府區(qū)廣播電視中心，山東聊城252000）

無刷電機既具有交流電機控制簡單、運行可靠、無機械換相以及維護方便等優(yōu)點，又具有直流電機的優(yōu)點，如運行效率高、調速性能好，故應用廣泛［1］，直流無刷電機的廣泛應用得益于電力電子技術的迅速發(fā)展。雖然帶位置傳感器的直流無刷電機需要從傳感器獲得轉子的位置，從而進行電機的換相，但是位置傳感器增加了電機本體的成本以及裝配的難度。尤其在應用條件比較惡劣時，外部環(huán)境對位置傳感器的信號會產生干擾，從而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性可靠性。基于以上原因，反電動勢的無刷電機控制受到了行業(yè)的重視［2-3］。

在無傳感器無刷電機控制系統(tǒng)的設計與開發(fā)過程中，主要難點在于啟動過程及換相檢測［4］。目前，在無傳感器控制中，啟動的方法包括升頻升壓法、預定位法、三段式啟動法、升頻和電流調節(jié)控制起動法、電壓插值起動法以及短時檢測脈沖轉子定位起動法等。無位置傳感器運行在沒有傳感器的條件下，利用電機的電壓和電流獲得轉子磁極的位置，其方法有反電動過零檢測法、定子三次諧波檢測法、瞬時電壓方程法以及狀態(tài)觀察法等［5-7］。

本文采用預定位法起動電機，運用反電動勢過零法確定轉子磁極的位置。

1 系統(tǒng)原理

1.1 預定位起動法的原理

預定位起動法的原理是：首先在起動開始時，使無刷電機任意的兩相繞組通電，在電磁力的作用下，轉子會轉到對應的初始位置，實現預定位的目的。然后根據轉子的轉向及位置改變繞組的通電狀態(tài)，同時檢測非通電相的反電動勢過零點，確定轉子位置，進行電機控制的換相處理，并根據外部的檢測來改變占空比，調整所需的電機轉速或轉矩等從而達到目標要求。

1.2 反電動勢過零點檢測方法原理

具有梯形反電動勢波形的三相無刷直流電機主電路原理如圖1所示。圖1中，La=Lb=Lc=L，ea=Ea，eb=Eb，ec=Ec，Ra=Rb=Rc=R。電機工作時，在每個電氣角度內只有兩相導通通電，調速時各橋臂上管采用PWM調制，下橋恒通。電機三相端電壓平衡方程分別為

圖1 三相無刷直流電機主電路原理

Ua、Ub、Uc分別為各相輸出端對 US負極的電壓，ea、eb、ec分別為各相的反電動勢，UN為電機中性點的電壓，ia、ib、ic分別為各相的電流。在60°的電氣角度內假設A、B兩相導通，這時A、B兩相的電流大小相等，方向相反，C相的電流為零。則式（1）、（2）相加則有

式（3）可簡化為

由式（4）、（5）可得

同理可得

式（6）～（8）稱為反電動勢過零檢測方程。

在實際的應用中，通常將端電壓分壓后，經濾波得到檢測信號。所謂的過零點檢測，就是指不通電那相的反電動勢在另兩相導通期間發(fā)生了大小及正負的變化，正負變化的點稱為零點，這個過零點在這兩相導通其間的中間，即30°處。故在過零點后，電氣角度再過30°，控制程序應使電機進行換相，其原理如圖2所示。

圖2 電機三相端電壓時序

2 系統(tǒng)的硬件設計

系統(tǒng)采用SH79F1611芯片及內部RC時鐘，經倍頻處理后，系統(tǒng)的主時鐘為27 MHz，系統(tǒng)24 V供電。為了系統(tǒng)的正常工作，系統(tǒng)需要12～15 V和5 V電源，為處理器的外圍電路、驅動電路以及電流檢測電路所用的芯片提供工作電源。

2.1 SH79F1611單片機介紹

SH79F1611是一種高速高效率的8051兼容單片機，較之傳統(tǒng)的8051芯片具有運行更快捷、性能更優(yōu)越的特性。SH79F1611集成了兩路的放大器，12位集成數字比較功能的ADC以及6路帶死區(qū)時間控制的電機控制PWM模塊，非常適合直流無刷電機/永磁同步電機控制。

2.2 硬件的整體框圖

硬件整體電路如圖3所示。該電路包括：電源電路、反電勢過零點檢測電路、電流檢測電路、單片機系統(tǒng)外圍電路、電機驅動、MOS管控制電路及外部用戶輸入控制電路。電源電路為系統(tǒng)提供所需直流電源，反電動過零點電路提供確定磁極位置電壓，電流主要保護電機與控制電路的安全可靠，單片機為控制策略實現提供硬件基礎，驅動與MOS管主要為控制電機提供換相。

圖3 硬件系統(tǒng)框圖

2.3 電源電路

本設計選擇LM317及LM2576-5.0，分別輸出12 V及5 V，其電路如4所示。LM317輸出電壓為

在本設計中，R4=10 kΩ，R2=1 kΩ，則Vo約為13.5 V，符合系統(tǒng)所需的12～15 V要求。

LM317及LM2576-5.0的輸入端的電解電容C2、C3、C01是為了穩(wěn)定輸入電壓，而輸出端的電解電容C6、C7則是為了穩(wěn)定輸出電原壓。輸入與輸出的電容C4、C5、C02、C8則是為了濾除高頻干擾。續(xù)流二極管D3在LM2576內部的開關管導通時處于反向偏置狀態(tài)，開關管關斷時，和電感、負載組成續(xù)流回路釋放電感中儲存的能量。

圖4 電源電路

2.4 主電路及驅動電路

主電路如圖5所示。該電路采用6個功率管組成的三相橋式結構，電阻R1MP為電流檢測電阻，網絡標號MGND連接到電流的放大電路。單片機發(fā)過的控制信號要經過相應的驅動芯片放大后才能驅動MOS管的導通與關斷，IR2103是一款美國IR公司的MOS管驅動芯片，每一個IR2103可驅動一對MOS，即一個半橋。

圖5 主電路及驅動電路

2.5 電流檢測電路

電流電路如圖6所示。該電路主要是對采樣電阻采得的電流信號進行放大，將電流信號放大后接入單片機，在電流過大時，可通過PID算法進行運算后，控制電機繞組上的電壓，從而控制電流。AD_I1檢測母線電流，這個電流控制控制器的輸入功率。AD_I2可以粗略地檢測電機的相電流，控制電機的相電流不超過設定值，保證電機既能輸出足夠的轉矩又不損壞電機與控制器。

圖6 電流檢測電路

2.6 反電動勢檢測電路

反電動勢過零點檢測電路如圖7所示，UP、VP、WP分別接到三相繞組上，WA、WB、WC分別接到SH79F1611的AD輸入端口上，通過AD端口檢測出電壓。

圖7 反電動勢檢測電路

3 軟件設計

3.1 軟件的整體設計思路

系統(tǒng)上電完成后，軟件首先完成系統(tǒng)的初始化處理，包括以下幾個方面。

（1）電機正反轉控制口的初始化。

（2）電機啟動停止端口的初始化。

（3）AD電流采樣及用戶電機速度/轉矩AD采樣端口初始化。

（4）電機控制端口PWM模塊的初始化，設定PWM的周期為62 μs。

（5）電機端電壓檢測AD端口初始化。

初始化完成后，程序根據電機正反轉、電機啟動停止、用戶電機速度/轉矩AD采樣端口的數據，決定電機的啟動還是停止。當電機啟動后，根據電機端電壓檢測AD的數據，并根據所采集的數值經式（6）～（8）計算，進行換相處理。

3.2 無傳感器無刷電機的起動控制

根據檢測到用戶需要啟動電機并且電機沒有運轉，則進行電機啟動程序的運行，程序控制電機的三相繞組的兩相通電，如A、B兩相進行通電，由于電磁力的作用，電機會轉到一初始位置，此時根據讀取的三相電壓的值，確定轉的磁極位置，對相應的電機繞組進行導通與關閉。

3.3 反電動勢無刷直流電機的過零點檢測換相

預定位起動電機后，可以進行反電動機的過零點檢測。其過程如下所述。

（1）通過ADC采集并濾波得到三相信號。

（2）根據電機當前狀態(tài)及反動勢方程，查看是否發(fā)生了過零點事件。

（3）當檢測到過零點后，保存定時器1的值，并復位定時器1。將保存的定時器1的值除以2再減去濾波器的延時、處理延時及相位超前，所得結果即為換相時間。

（4）將換相時間賦于定時器2，如定時器2中斷時，就則進行的換相處理。

4 實驗驗證

實驗驗證所采用電機為24 V、3 200轉。運用示波器測得相線電壓波形為梯形波，如圖8所示。由圖8可知，該方案可行。

5 小結

該系統(tǒng)通過利用SH79F1611豐富的片內資源控制，電機無傳感器的啟動、過零點的檢測以及算法的實現都是由軟件來完成的。從而使電路的硬件結構簡單，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性。實驗證明，該系統(tǒng)具有良好的調速性能，電機轉子位置檢測準確性好。該系統(tǒng)在新能源客車散熱水泵、風扇等方面得到了應用，應用結果表明可靠好。

圖8 電壓波形