微型无刷直流电机的无位置传感器控制

0 引言

在一些应用场合要求使用的电机体积小、效率高、转速高，微型永磁无刷直流电机能够较好地满足要求。因为电机体积较小，安装位置传感器困难，所以微型无刷直流电机的无位置传感器控制就显得尤为必要。

无刷直流电机的无位置传感器控制的难点在于转子位置信号的检测，目前国内外研究人员提出了诸多方法，其中反电动势法最为简单、可靠，应用范围最广泛。普遍采用的控制方案为基于DSP的控制和基于专用集成电路的控制等，但是其价格高、体积大，不利于用在微型电机控制器中。本文介绍基于C8051F330单片机、检测反电动势法的无位置传感器无刷直流电机的控制器，系统结构简单，体积超小型，价格低廉，运行性能良好。

1 无传感器无刷直流电机的控制方式

实现无刷直流电机电子换相及PWM控制的逆变器主电路如图1a所示。采用两两通电方式，即每一个瞬间有两个功率管导通，每隔60°电角度换相1次，每一功率管导通120°电角度。功率管的导通顺序是：V6V1→V1V2→V2V3→V3V4→V4V5→V5V6。

在方波无刷直流电机中，定子绕组的反电动势波形(即气隙磁通波形)为正负对称的梯形波，如图1b所示。从图中可以看出当检测到不通电相绕组的反电动势为零时，以此作为起点滞后30°电角度，即为最佳换相时刻。因此只要测出各相反电动势的过零点就可获得三相电机所需的6个关键位置信号，进而实现定子绕组的正确换流。电动机绕组中性点0一般未引出，直接测定绕组反电动势相值比较困难，而便于测量的是三相定子绕组对地的端电压。端电压过中点(直流电源电压的一半)与反电动势过零点在时间上是重合的，所以寻找反电动势的过零点后30°电角度即相当于寻找端电压的过中点后30°电角度。

2 控制系统设计

2.1 硬件电路设计

系统的硬件电路图如图2所示，以C8051F330单片机、逆变桥电路、端电压检测电路、稳压电路等组成。本电路设计得非常简洁，各种元器件都使用小型的贴片封装，非常适合对成本和体积都比较敏感的微型电机控制器。

逆变桥电路中上桥臂为P型MOSFET器件FDS6679，下桥臂为N型MOSFET器件M4410B，均为低电压驱动器件。FDS66 79通过一个NPN型三极管驱动，而M441 0B由C8051F330的P1口直接驱动(P1口设置成推挽输出)。PWM控制模式定为：PWM仅应用于半桥的下端MOSFET，同时换流的上端(对角线)MOSFET仅起换相通断控制。

电源电压和电流的检测：当UV相通电，在PWM开通期间检测U相的端电压Uu，由于MOSFET的通态电压很小(小于0.1V)，端电压uu可以近似看作是电源电压UD;在下桥臂源极和电源地之间串接采样电阻，通过P0.4口检测电阻电压得到电流值，输入信号先经过内部可编程增益放大器放大，再作A/D转换。