摘要：針對(duì)電機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合、體積縮小與節(jié)約成本等諸多問題，采用反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)方法，設(shè)計(jì)了基于dsPIC30F3010芯片的無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)。分析了dsPIC30F3010外圍電路，逆變及其驅(qū)動(dòng)電路。反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路，電流采樣與過流保護(hù)電路，開發(fā)了主程序和中速事件處理程序，并給出了電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)端電壓的波形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)能夠控制電機(jī)順利起動(dòng)，而且實(shí)現(xiàn)了電機(jī)正確的換相和正常運(yùn)行，證明了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。
關(guān)鍵詞：無刷直流電機(jī)；反電動(dòng)勢(shì)(BEMF)；無位置傳感器；數(shù)字信號(hào)控制器

無刷直流電動(dòng)機(jī)(BLDCM)是隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)展起來的一種新型電動(dòng)機(jī)，具有可靠性高，易維護(hù)等一系列優(yōu)點(diǎn)，在家用電器和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。就其基本結(jié)構(gòu)而言，無刷直流電動(dòng)機(jī)可以認(rèn)為是一個(gè)由電機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路以及電子開關(guān)電路三者共同組成的“電動(dòng)系統(tǒng)”。
無刷直流電動(dòng)機(jī)電子開關(guān)線路是用來控制電動(dòng)機(jī)定子上各相繞組通電的順序和時(shí)間的，主要由功率邏輯開關(guān)單元和位置傳感器信號(hào)處理單元兩個(gè)部分組成。功率邏輯開關(guān)單元是控制電路的核心，其功能是將電源的功率以一定邏輯關(guān)系分配給無刷直流電動(dòng)機(jī)定子上各相繞組，以便使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。而各相繞組導(dǎo)通的順序和時(shí)間主要取決于來自轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。但轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路所產(chǎn)生的信號(hào)一般不能直接用來控制功率邏輯開關(guān)單元，往往需要經(jīng)過一定邏輯處理(功率放大)后才能去控制邏輯開關(guān)單元。
無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制的難點(diǎn)在于轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的檢測(cè)。國(guó)內(nèi)外研究人員提出了諸多方法，典型的方法有：反電動(dòng)勢(shì)法、三次諧波檢測(cè)法、電感檢測(cè)法和擴(kuò)展卡爾曼濾波法等。三次諧波檢測(cè)法在高速時(shí)能夠準(zhǔn)確快速地估計(jì)轉(zhuǎn)子位置，但是當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速低于某個(gè)值時(shí)，檢測(cè)到的三次諧波嚴(yán)重畸變，不能準(zhǔn)確估計(jì)轉(zhuǎn)子的位置。電感檢測(cè)法需要對(duì)繞組電感進(jìn)行不斷的實(shí)時(shí)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)難度較大。擴(kuò)展卡爾曼濾波器法計(jì)算繁瑣，對(duì)微機(jī)性能要求較高，實(shí)現(xiàn)較麻煩。反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)法通過檢測(cè)各相反電動(dòng)勢(shì)的過零點(diǎn)，延遲30°電角度，獲得相應(yīng)的換相時(shí)刻，該方法雖然存在低速時(shí)難以得到有效的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，由RC濾波電路引起的過零點(diǎn)相移等缺點(diǎn)，但該方法是目前技術(shù)最成熟，實(shí)現(xiàn)最簡(jiǎn)單，應(yīng)用最廣泛的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法。
普遍采用的控制方案為基于DSP的控制和基于專用集成電路的控制等，受芯片功能、速度和結(jié)構(gòu)的限制，硬件設(shè)計(jì)中往往需要較多的外圍電路，導(dǎo)致裝置的整體集成度不高，硬件開發(fā)相對(duì)復(fù)雜。本文采用反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)方法，設(shè)計(jì)了基于dsPIC30F3010芯片的無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)，將高性能16位單片機(jī)的控制特點(diǎn)和DSP高速運(yùn)算的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了合適的單芯片、單指令流的解決方案，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行性能良好。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本無刷直流電動(dòng)機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)的硬件以美國(guó)微芯公司(Microchip)生產(chǎn)的數(shù)字信號(hào)控制器dsPIC30F3010為核心控制器。dsPIC 30F3010具有6路10位A／D、專門針對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)的6路PWM模塊、5路16位定時(shí)器、24 kB Flash程序存儲(chǔ)器以及1 kB RAM。dsPIC30F系列器件采用功能強(qiáng)大的16位架構(gòu)，無縫集成了單片機(jī)(MCU)的控制功能和數(shù)字信號(hào)處理器的計(jì)算能力。因此是以高速、重復(fù)計(jì)算和控制為基礎(chǔ)的應(yīng)用的理想選擇。
1．1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)
系統(tǒng)硬件電路由主電路、驅(qū)動(dòng)電路、過零點(diǎn)檢測(cè)電路、采樣電路、各種保護(hù)電路組成。dsPIC30F3010控制器首先通過反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)法獲得轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，并根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置發(fā)出相應(yīng)的控制字來改變PWM信號(hào)的當(dāng)前值，從而改變直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中功率管的導(dǎo)通順序，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。然后系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置和間隔時(shí)間測(cè)出電機(jī)轉(zhuǎn)速。將檢測(cè)到的各相的電流轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)降壓后輸入到DSC的A／D轉(zhuǎn)換器，其值與經(jīng)速度調(diào)節(jié)后產(chǎn)生的電流參考值比較，形成PWM占空比的控制量，來改變直流無刷電機(jī)電樞電流，從而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的?？刂葡到y(tǒng)中采用全橋PWM調(diào)節(jié)方式，通過改變PWM控制脈沖的占空比來調(diào)節(jié)輸入無刷直流電機(jī)的平均直流電壓，以達(dá)到調(diào)速的目的。整個(gè)系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

1．2 dsPIC30F3010外圍電路的設(shè)計(jì)
圖2為控制芯片dsPIC30F3010及其外圍電路圖。圖中上接的是復(fù)位電路，S1是復(fù)位按鈕，通過上拉電阻R2，這樣VPP／MCLR引腳可置低電平來復(fù)位PIC單片機(jī)；S2為啟停按鈕，控制電機(jī)啟停；SW1為調(diào)試／編程開關(guān)，閉合SW1即可切換到MPLAB ICD時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線進(jìn)行編程；HA，HB，HC為三相電壓反饋；VBUS、IMOTOR接口分別是電機(jī)母線電壓與電流的輸入接口；在電路上通過一個(gè)可調(diào)電阻串一個(gè)電阻到地的方式，作為給定轉(zhuǎn)速的設(shè)置。其中所串的小電阻，讓AD無法讀到0這么低的值，規(guī)避了給定轉(zhuǎn)速下限的問題。用RB3／AN3、RB4／AN4、RB5／AN5實(shí)現(xiàn)電機(jī)端電壓檢測(cè)，得到反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)。PWM1L／YPWM1H、PWM2L／PWM2H、PWM3L／PWM3H分別是A、B、C三相逆變橋電路上、下橋臂開關(guān)信號(hào)接口，采用PWM模塊控制6個(gè)MOSFET通斷，實(shí)現(xiàn)換相。