基于PSoC的無位置傳感器無刷直流電機控制器的設(shè)計與實現(xiàn)

尚 君，馮明旭

(重慶交通大學機電與汽車工程學院，重慶 南岸 400074)

無刷直流電機(Brushless DC Motor，BLDCM)是隨著新型電力電子器件和永磁材料的發(fā)展而成熟起來的一種新型電機.它屬于同步電機的范疇，既有運行可靠的優(yōu)點，又有像有刷直流電機一樣的調(diào)速性能.然而，傳統(tǒng)的無刷直流電機需要附加轉(zhuǎn)子位置傳感器，在惡劣工作環(huán)境中信號線易引入干擾且常規(guī)傳感器無法使用，無疑大大降低了電機的可靠性［1］.

無位置傳感器技術(shù)解決了無刷電動機位置傳感器難以安裝和維護的弊端，而且具有快速可靠、高效率、結(jié)構(gòu)簡單、體積小等特點，因此在許多領(lǐng)域都有廣泛的應用.本文采用目前最廣泛應用的反電動勢過零點檢測法，基于PSoC芯片設(shè)計并實現(xiàn)了無刷直流電機驅(qū)動控制器.

1 PSoC概述

PSoC(Programmable System on Chip)是Cypress半導體公司生產(chǎn)的8位MCU核并具有數(shù)字與模擬混合信號陣列的可編程片上系統(tǒng)，它集3種可編程功能為一體，不僅有MCU的可編程能力，還有部分可編程邏輯運算的功能，提供了可編程模擬陣列，通過控制或配置寄存器，使三者相互作用、協(xié)調(diào)工作.

CY8C24533使用8位哈佛結(jié)構(gòu)處理器內(nèi)核(M8C CPU)，它具有獨立的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器總線，處理器速度可達24 MHz.擁有豐富的M8C架構(gòu)指令，系統(tǒng)提供便捷的尋址方式［2］.CY8C24533有4個模擬模塊和4個數(shù)字模塊.片內(nèi)的模擬模塊可以配置各種模擬周邊功能，如差分放大器、比較器、可編程濾波器、可編程增益放大器等.片內(nèi)數(shù)字模塊可配置成各種各樣的用戶模塊，如實時時鐘、時間定時器、全雙工(UART)、串行主從通信(SPI)、循環(huán)冗余校對模塊、脈寬調(diào)制(PWM)和死區(qū)脈寬調(diào)制(DB PWM)等功能模塊.結(jié)合數(shù)字模塊和模擬模塊可以實施各種AD轉(zhuǎn)換，如8和11位的△-∑模數(shù)轉(zhuǎn)換，7到4位的增量式模數(shù)轉(zhuǎn)換等.

CY8C24533的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示［2］.

圖1 CY8C24533內(nèi)部系統(tǒng)資源框圖

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作原理

無刷直流電動機控制系統(tǒng)由CY8C24533主芯片、IR2101S前級驅(qū)動電路 、三相逆變電路 、反電勢過零檢測電路、過壓限流保護電路、采樣電路及各級電源供電電路構(gòu)成，總體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示.

圖2 無刷直流電動機控制總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)的工作原理如下:圖2中CY8C24533l輸出3路上橋PWM和下橋全通控制信號經(jīng)處理后，控制3片集成芯片IR2101組成的前級功率驅(qū)動電路，經(jīng)后級電路，進而控制三相逆變電路中上下橋MOS管的兩兩通斷，從而實現(xiàn)無刷直流電機的驅(qū)動及調(diào)速.

電機運行過程中，電壓電流采樣后，通過過壓、限流保護電路，反饋給主芯片.過壓限流保護電路是為了防止電壓電流過大傷害電機本身，同時也防止電流過大，造成MOS管溫度過高而損壞.

無位置傳感器無刷直流電機關(guān)鍵點是換向問題.系統(tǒng)采用了反電勢過零點的檢測原理，通過構(gòu)造中性點，進行比較后將得到的信號送入主芯片，經(jīng)編程給定驅(qū)動電路信號控制逆變電路，供電機正常轉(zhuǎn)動［3］.

關(guān)于電機啟動，當BLDCM在低速或靜止時的反電勢很小或為零，因此無法準確獲得反電勢過零點的信號，從而無法判斷轉(zhuǎn)子位置而電機也無法自啟動.此時需要通過其他的方法來啟動電機.本系統(tǒng)采用三段式起動的原理，即轉(zhuǎn)子預定位、外同步加速和外同步到自同步的切換.當轉(zhuǎn)子達到一定的轉(zhuǎn)速后，能夠在定子繞組中感應出足夠大的電動勢，再選擇合適的時機，將換向方法轉(zhuǎn)換至反電動勢過零點檢測換相工作狀態(tài)，完成電機的起動［4-5］.這樣電機轉(zhuǎn)向可控，且電機在達到一定轉(zhuǎn)速后才切換.

3 主要硬件電路設(shè)計

3.1 功率驅(qū)動與逆變電路

下圖為電機三相的其中一相的前級功率驅(qū)動和逆變電路圖.

圖3 電機功率驅(qū)動逆變電路

本文采用的是三相半橋的電路拓撲，選用IR2101S作前端驅(qū)動芯片.IR2101S是柵極驅(qū)動、雙通道、高壓高速功率的驅(qū)動器，該器件采用了高度集成的電平轉(zhuǎn)換技術(shù)，且上管采用外部自舉電容供電，使驅(qū)動電源數(shù)目較其他IC驅(qū)動大大減少，從而減少了電源數(shù)目，提高了系統(tǒng)可靠性，降低了產(chǎn)品成本.

3.2 反電勢過零檢測電路

如圖4、圖5所示，為反電勢過零檢測原理圖及具體電路信號處理部分［6］.此檢測電路主要由容阻分壓、低通濾波和過零檢測3部分電路組成.首先通過阻容分壓電路，將得到所需要的端電壓信號，經(jīng)RC無源低通濾波電路濾波得到的信號與中性點電壓進行比較，從而獲得方波波形信號，將信號輸入至主芯片，經(jīng)軟件程序處理后，作為電機的換相信號.

如圖5中的框內(nèi)所示，增加PWM控制的電阻分壓開關(guān)電路，隨著轉(zhuǎn)速的增加減小采樣電阻阻值，從而避免反電勢幅值高于比較器的供電電壓［7］.在實驗過程中，通過參考電機轉(zhuǎn)速線性調(diào)節(jié)控制信號的占空比，控制反電勢幅值在一個安全的范圍內(nèi)，這樣直接增大了過零檢測在高速區(qū)時的使用范圍.此反電勢過零檢測方法不僅有效地改善電機在低速時反電勢難以檢測的問題，還可以避免在高速時由于反電勢幅值過高可能造成的電路損壞.

圖4 反電勢過零檢測電路原理圖

圖5 反電勢過零檢測細節(jié)電路

3.3 過壓、限流保護電路

如圖6所示，采樣信號為無刷直流電機母線電壓電流.經(jīng)保護電路的處理信號，送入主芯片，由軟件編程設(shè)置電壓、電流的閾值，直接對電壓、電流進行檢測并產(chǎn)生相應的保護，以免對電路和電機造成損害.

圖6 過壓、限流保護電路

3.4 電源供電模塊

本系統(tǒng)電源為60 V直流供電.電路主供電源有+13.5 V及芯片供電+5 V.采用降壓式變換電路(Buck電路)原理.具體電路如圖7所示.

圖7 降壓電路13.5～5 V

4 控制方案

以上各硬件模塊要在主芯片程序的協(xié)調(diào)下有序地工作，才可以完成無刷直流電機的驅(qū)動，這就需要軟件系統(tǒng)發(fā)揮作用.

4.1 電子換相

電機要對轉(zhuǎn)子位置進行精確檢測，并用電子開關(guān)切換不同繞組通電以獲得驅(qū)動動力，換相必須及時準確，否則容易導致控制器和電機燒毀.本系統(tǒng)采用PSoC中的中斷來檢測換相信號，這樣芯片可根據(jù)獲得信息進行后續(xù)任務(wù).

圖8 降壓電路60～13.5 V

4.2 雙閉環(huán)PI控制算法

在閉環(huán)控制中，一般是將反映電機的轉(zhuǎn)速信號與預定轉(zhuǎn)速控制信號相比較、放大后，用其差動量去校正控制對象，直至控制轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)達到平衡.如圖9所示，系統(tǒng)采用電流環(huán)和速度環(huán)相串聯(lián)的雙閉環(huán)控制.電機處于自同步運行狀態(tài)時，控制器根據(jù)測出的電機位置切換信息，計算當前轉(zhuǎn)速，并將速度給定信號與當前轉(zhuǎn)速在主程序中進行PI計算可得到電流的參考值(速度環(huán)).電機繞組電流反饋信號由采樣電阻從A/D口送入到主芯片，通過A/D轉(zhuǎn)換得到當前電流值，并將得到的電流值與電流參考值進行PI計算(電流環(huán))，通過電流環(huán)的PI調(diào)節(jié)算法計算PWM占空比的控制量，從而實現(xiàn)對電機驅(qū)動波形的脈寬調(diào)制，控制電機達到預定的轉(zhuǎn)速.從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán);轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外，叫做外環(huán).由此形成一個無刷直流電機轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖9所示.

圖9 無刷直流電動機調(diào)速電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)原理圖

4.3 過壓、限流保護

為了提高軟件級保護實時性，采用PWM中點采樣法進行電流和電壓的檢測，這樣在每個PWM穩(wěn)定的時間進行電流電壓采樣可以提高精度和實時性.

5 測試分析

在實體電路設(shè)計完成后，進行了采樣信號、換向信號、電機相電壓信號的測試，如圖10所示.該控制器能很好地控制電機進行換向和正常運轉(zhuǎn)，從而驗證了本設(shè)計的實用性.

圖10 采樣信號、換向信號及電機相電壓信號采集

6 結(jié)語

本文基于PSoC設(shè)計了無位置傳感器無刷直流電機的控制器，從軟硬件上實現(xiàn)了電機的換相、檢測、保護等設(shè)計，整個系統(tǒng)通過運用CY8C24533豐富的片內(nèi)資源和高效的處理能力，設(shè)計速度環(huán)的PI控制、起動電機和電機速度反饋都由軟件完成.該方案既可以應用于普通無刷直流電機控制，也可以用于一些特殊的場合.

［1］曾麗，吳浩列，肖瑩.基于DSP的無位置傳感器無刷直流電機控制系統(tǒng)的設(shè)計［J］.微電機，2010，43(10)：63-66.

［2］翁小平，黃建明，江小平.基于PSoC CY8C24533的電動自行車控制器的設(shè)計［J］.電子工程專輯，2008(3)：20-21.

［3］王大方，祝雅琦，金毅，等.一種新穎的無刷直流電機位置檢測方法［J］.電工技術(shù)學報，2013(2)：30-31.

［4］吳曙光.無位置傳感器無刷直流電機起動控制研究［D］.天津：天冿大學，2008(4)：37-38.

［5］周通，黃建，馮志濤.基于DSP的無傳感器無刷直流電機啟動控制研究［J］.微電機，2013(3)：40-42.

［6］姚常青.反電勢過零檢測新方法［J］.應用天地，2012(12)：51-52.

［7］朱俊杰，粟梅.無刷直流電機反電勢過零檢測新方法［J］.儀器儀表學報，2013(2)：83-85.