基于S12X的直流無刷電機(jī)反電勢控制方法

熊 慧，李玉錕，尤一鳴

（天津工業(yè)大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300160）

直流無刷電機(jī)中采用各種形式的位置傳感器，根據(jù)位置傳感器的信號控制直流無刷電機(jī)換相。但位置傳感器的存在限制了直流無刷電機(jī)在某些特定場合中的應(yīng)用，這主要體現(xiàn)在[1]：

(1)位置傳感器可能使電機(jī)系統(tǒng)的體積增大；

(2)位置傳感器使電機(jī)與控制系統(tǒng)之間導(dǎo)線增多，使系統(tǒng)容易受到外界干擾影響；

(3)位置傳感器在高溫、高壓和濕度較大等惡劣工況下運(yùn)行時(shí)靈敏度變差，系統(tǒng)運(yùn)行可靠性降低；

(4)位置傳感器對安裝精度要求較高，機(jī)械安裝偏差引起的換相不準(zhǔn)確直接影響電機(jī)的運(yùn)行性能。

因此無傳感器控制技術(shù)逐漸成為直流無刷電機(jī)的研究熱點(diǎn)之一，國內(nèi)外眾多學(xué)者對此已經(jīng)取得許多成果。此種方式省去了直流無刷電機(jī)的位置傳感器，通過檢測電機(jī)相關(guān)參數(shù)并經(jīng)過計(jì)算從而控制電機(jī)換相。無傳感器控制技術(shù)可以提高直流無刷電機(jī)運(yùn)行的可靠性，并減小電機(jī)的體積。依據(jù)檢測原理的不同，無傳感器控制技術(shù)包括反電勢法、磁鏈法、電感法等。本文采用的是利用A/D直接檢測的反電勢法。本文應(yīng)用的電機(jī)是三相橋式Y(jié)型接法的直流無刷電機(jī)，換相方式為120°電角度兩兩導(dǎo)通換相。本文采用飛思卡爾公司生產(chǎn)的雙核單片機(jī)MC9S12XDG128作為微控制器。除主CPU外它還具備一個(gè)協(xié)處理XGATE，主要用來處理中斷，減輕了中斷對主CPU的占用，提升了系統(tǒng)的性能。

1 直流無刷電機(jī)反電勢控制的理論依據(jù)

直流無刷反電勢控制是無傳感器控制中相對成熟的一種。這種方法需要測量直流無刷電機(jī)三相的反電勢，找到反電勢的過零點(diǎn)，再延時(shí) 30°電角度換相，進(jìn)而控制電機(jī)正確換相。反電勢法包括多種檢測反電勢過零點(diǎn)的方法：端電壓檢測法、反電勢積分法、反電勢三次諧波法、續(xù)流二極管法和線反電勢法等。鑒于端電壓檢測法檢測方式簡單、控制方便等優(yōu)點(diǎn)，本文采用此種方法。

直流無刷電機(jī)反電勢的過零點(diǎn)與換相時(shí)刻的關(guān)系如圖1所示。圖中eA、eB、eC為互差 120°電角度的三相梯形波反電勢，Q1～Q6為一個(gè)周期中的6個(gè)換相點(diǎn)，分別滯后相應(yīng)反電勢過零點(diǎn)30°電角度。圖中陰影部分為電流導(dǎo)通區(qū)，直線部分為反電勢。

直流無刷電機(jī)的數(shù)學(xué)模型為[1]：

式中：UAG、UBG、UCG為直流無刷電機(jī)三相的端電壓；UN為中性點(diǎn)電壓；L，M為繞組等效自感和互感；

圖1 反電勢的過零點(diǎn)與換相時(shí)刻的關(guān)系圖

當(dāng)AB兩相導(dǎo)通C相懸空時(shí)，即A相上橋臂導(dǎo)通，B相下橋臂導(dǎo)通。由圖2可知此時(shí)電流由A相流入B相流出，C相不導(dǎo)通。此時(shí) iA=-iB=I，iC=0。設(shè)電源電壓為U，由于此刻A相上橋?qū)?，B相下橋?qū)?，則UAG=U，UBG=0。 將(1)式的 UAG、UBG相加，得 U=eA+eB+2UN，而 U=2UN。由上述推導(dǎo)可得A相和B相反電勢和電流的關(guān)系為:

圖2 直流無刷電機(jī)電流流向示意圖

將式(1)的 UAG、UBG相加，再將(2)式代入，得:

即中性點(diǎn)電壓為導(dǎo)通兩相端電壓和的一半。

由(4)式可知當(dāng)C相懸空時(shí)確定C相反電勢過零點(diǎn)的方法為：由單片機(jī)檢測A、B、C三相的端電壓，計(jì)算UCG和的值并進(jìn)行比較，當(dāng)兩者之差的絕對值小于事先設(shè)定的某一閾值時(shí)，將此時(shí)刻作為C相反電勢的過零點(diǎn)。

同理，AC相導(dǎo)通、B相懸空時(shí)，有

BC相導(dǎo)通、A相懸空時(shí)，有

利用(4)、(5)和(6)三式可作為判斷 A、B、C 三相反電勢過零點(diǎn)的依據(jù)。

2 控制策略

直流無刷電機(jī)的反電勢控制需要不停地檢測電機(jī)三相的端電壓，通過計(jì)算找到某一相過零點(diǎn)的時(shí)刻，所以要用到單片機(jī)上的三路A/D。另外，當(dāng)某一相的反電勢達(dá)到過零點(diǎn)時(shí)還需要延時(shí)30°電角度才能作為這一相的換相時(shí)刻，所以需要用到單片機(jī)上的定時(shí)器模塊。另外，為了能夠?qū)崿F(xiàn)對電機(jī)的調(diào)速，還要用到單片機(jī)上的PWM模塊。

為了保證直流無刷電機(jī)能正常運(yùn)行，電機(jī)上的三相電源要按一定順序切換。本文中用到的電機(jī)在正常情況下?lián)Q相順序?yàn)椋篈B-CB-CA-BA-BC-AC-AB。為了能夠更好地說明換相方法，下面舉一個(gè)例子，說明電機(jī)如何由CB通電狀態(tài)轉(zhuǎn)換到CA通電狀態(tài)。比如電機(jī)此刻已經(jīng)順利啟動(dòng)，正常運(yùn)行，并且是AB兩相導(dǎo)通，當(dāng)程序檢測到需要切換到CB狀態(tài)后馬上改變相應(yīng)設(shè)置，轉(zhuǎn)換到CB狀態(tài)，同時(shí)開始計(jì)時(shí)，測量由狀態(tài)切換(AB-CB)時(shí)刻到A相端電壓到達(dá)中性點(diǎn)時(shí)刻的時(shí)間間隔。此時(shí)CB通電，A相懸空。程序不停地比較A相端電壓和(UC+UB)/2差值的絕對值是否小于事先設(shè)定好的閾值，小于閾值即A相反電勢過零。此時(shí)單片機(jī)讀取定時(shí)器的值，此值即為30°電角度的時(shí)間長度。再用定時(shí)器延時(shí)相等的時(shí)間，然后進(jìn)行換相，轉(zhuǎn)換到CA狀態(tài)。在程序中為每一個(gè)狀態(tài)都編寫了一段程序，各段程序均包括上述的比較懸空相和中性點(diǎn) UN的電壓、延時(shí) 30°電角度、狀態(tài)切換等內(nèi)容。狀態(tài)切換是按順序進(jìn)行的，保證換相正確。比如AB段程序完成后只能跳轉(zhuǎn)到CB段程序執(zhí)行。

3 硬件電路

直流無刷電機(jī)的反電勢控制的驅(qū)動(dòng)電路由IR2132和6個(gè)MOS管組成。IR2132S芯片是一種高電壓、高速度的功率MOSFET和IGBT驅(qū)動(dòng)集成IC,工作電壓為600 V，分別有3個(gè)獨(dú)立的高端和低端輸出通道。邏輯輸入與CMOS或TTL輸出兼容，最小可以達(dá)到2.5 V邏輯電壓。芯片的內(nèi)部設(shè)計(jì)有過流、欠電壓及邏輯錯(cuò)誤保護(hù)裝置，用戶可以方便地用來保護(hù)被驅(qū)動(dòng)的功率管。驅(qū)動(dòng)電路示意圖如圖3所示。雙核單片機(jī)的3路PWM通道接IR2132的 3路高輸入，3路 T口接 IR2132的 3路低輸入。IR2132的 6路輸出接 6個(gè) MOS管。Q4、Q6、Q2下端3個(gè)MOS管的S極與地之間接了一根康銅絲?？点~絲上的電壓即為此刻流過MOS管的電流和康銅絲電阻的乘積，即UP。在驅(qū)動(dòng)板上將 UP接到IR2132的 ITRIP引腳上。如果驅(qū)動(dòng)電路出現(xiàn)了過流情況，那么UP(ITRIP輸入)會(huì)增大，一但超過0.5 V，IR2132芯片內(nèi)部的電流比較器就會(huì)產(chǎn)生信號，使 IR2132的6路輸出截止，使6個(gè) MOS管進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對驅(qū)動(dòng)電路的保護(hù)。同時(shí)FAULT輸出一個(gè)低電平信號，利用此信號，單片機(jī)可以知道驅(qū)動(dòng)電路出現(xiàn)過流，從而將輸出信號關(guān)斷。

由于給直流無刷電機(jī)供電的電源電壓在12 V，所以電機(jī)的端電壓可能達(dá)到12 V左右。若通過單片機(jī)進(jìn)行端電壓的檢測還需要將端電壓進(jìn)行分壓。如圖4所示為直流無刷電機(jī)某一相端電壓檢測分壓電阻。通過分壓電阻后,向單片機(jī)AD通道輸入的信號可以控制在5 V之內(nèi)。

4 S12X單片機(jī)的設(shè)置

在使用雙核單片機(jī)之前需要對其進(jìn)行設(shè)置，除必要的初始化之外，還需將即將要用到的中斷交給協(xié)處理器XGATE處理。此設(shè)置包括兩部分，一是在主CPU中的設(shè)置，二是在協(xié)處理器中的設(shè)置。下面通過例子來說明。例如本文要用到定時(shí)器中斷。首先在程序起始位置聲明定時(shí)器中斷 #define mccnt_VEC 0xCA。0xCA是MCCNT中斷的向量地址。mccnt_VEC是主CPU響應(yīng)來自XGATE的中斷的中斷名。mccnt_VEC中斷程序位于主CPU程序段內(nèi)。在SetupXGATE函數(shù)里設(shè)定ROUTE_INTERRUPT(mccnt_VEC,0x81)，用來寫中斷請求配置地址寄存器和中斷請求配置數(shù)據(jù)寄存器。再向協(xié)處理器的控制寄存器寫入0xFBc1來允許XGATE工作，允許其處理中斷。至此 SetupXGATE函數(shù)設(shè)定好了，只要在“main”函數(shù)里調(diào)用就可以了。在“main.c”文件的最后寫上主CPU響應(yīng)來自XGATE的中斷mccnt_VEC。在此中斷里不需要做任務(wù)事情，只要將由XGATAE置位的中斷標(biāo)志寄存器清零即可。

interrupt void mccnt_interrupt(void){XGIF1=0x0020; //中斷標(biāo)志寄存器清零}

當(dāng)然，在 “.prm”文件中還需要設(shè)定一下中斷向量VECTOR ADDRESS 0xFFCA mccnt_interrupt。至此主 CPU的設(shè)置工作完成。

在“xgate.cxgate”文件里首先要編寫定時(shí)器中斷程序interrupt void mccnt_Thread(){}，mccnt_Thread 是 中 斷 名 。在XGATE_VectorTable的設(shè)定為{(XGATE_Function)mccnt_Thread,0x65}。至此主CPU和XGATE的設(shè)置全部完成，協(xié)處理器可以處理定時(shí)器中斷了。

5 直流無刷電機(jī)的起動(dòng)

直流無刷電機(jī)在靜止和低速的情況下反電勢難以檢測，此時(shí)利用反電勢確定轉(zhuǎn)子位置的方法失效。所以在起動(dòng)階段要用特殊的方法先使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)起來，待其到達(dá)到一定速度時(shí)再切換到反電勢檢測狀態(tài)。目前起動(dòng)方案主要有三段式起動(dòng)法、預(yù)定位起動(dòng)法、升頻升壓同步起動(dòng)法和短時(shí)檢測脈沖轉(zhuǎn)子定位起動(dòng)法[3]。本文采用的起動(dòng)方法為三段式起動(dòng)法。首先讓直流無刷電機(jī)的某兩相導(dǎo)通，使電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到一個(gè)預(yù)定的位置，然后按照正確的順序換相，并控制換相時(shí)間，使電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸上升。當(dāng)電機(jī)速度達(dá)到一定程度后就可以切換到反電勢檢測階段，利用檢測到的反電勢控制電機(jī)正確換相。

本文應(yīng)用飛思卡爾公司生產(chǎn)的雙核單片機(jī)MC9S12XDG128，在直流無刷電機(jī)反電勢理論基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了對一個(gè)直流無刷電機(jī)運(yùn)行控制。利用單片機(jī)三路AD通道和定時(shí)器模塊進(jìn)行反電勢的檢測，利用PWM模塊對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。三路AD通道和定時(shí)器模塊產(chǎn)生的中斷由協(xié)處理器XGATE處理，減輕了主CPU的負(fù)擔(dān)，使其能更好地處理主函數(shù)的程序。用雙核單片機(jī)作為直流無刷電機(jī)的控制器，能夠更加準(zhǔn)確地找到反電勢的過零點(diǎn)，更加準(zhǔn)確地進(jìn)行 30°電角度的延時(shí)，從而達(dá)到更加理想的控制效果。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，直流無刷電機(jī)能夠順利起動(dòng)，并能連續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行。

[1]夏長亮.無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[2]邵貝貝，宮輝.嵌入式系統(tǒng)中的雙核技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[3]張玉峰.基于DSC的BLDCM無位置傳感器位置檢測方案研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2007.

[4]Freescale.9S12XDP512DGV2 Data Sheet.Rev.11.18.2004.

[5]Freescale.S12XGATEV2 Data Sheet.Rev.11.16.2004.