无传感器BLDC驱动控制系统的设计

liyf

近年来，国内市场上电动车使用的电机主要有三种：有刷电机、有位置传感器无刷电机和无位置传感器无刷电机。使用有刷直流电机容易解决换相问题，但是噪音大，而且碳刷容易磨损或损坏，这会增大维护、维修难度，增加使用成本；使用有传感器无刷直流电机容易确定转子位置，解决换相问题，但却增大了电机的设计、制造和安装难度，也增加了成本，并且传感器容易损坏，导致电机的使用寿命缩短；无传感器无刷直流电机换相虽然在技术上有难度，但在成本和寿命上更容易满足消费者需求。综合以上特点，本文讨论的方案选择了性价比较高的无传感器无刷直流电机，以HT46R6?为主控芯片，用反电势法(back electromotive force)实现电机正常换相，软硬结合，使电动车驱动系统工作在最佳状态，从而提高产品的可靠性和使用寿命。系统工作原理控制系统结构框图如图1所示，主要由MCU、直流无刷电机、LCD液晶显示屏、键盘、电源、时钟等模块组成。其中MCU采用台湾Holtek公司生产的HT46R6?微处理器，以它作为系统核心，连同一些外围硬件，并配合软件共同控制直流无刷电机，从而实现该驱动系统的优良性能。例如通过MCU指令控制电机的正反转、调速、刹车或制动等。根据电机所转圈数计量行程，并以数字形式呈现在液晶屏上，通过键盘操作方便查看行程以及其它系统信息。电源模块主要用于在不需要显示时切断相应部分电路，同时保存关键信息，以降低系统功耗。

图1：驱动系统结构框图。 由图1可以看出，本驱动控制器的主要功能大致分为三个部分：电机部分、行程计量以及LCD显示，本文主要围绕无传感器电机的换相问题展开。1. 反电势换相原理霍尔传感器在电机中使用广泛，带位置传感器直流无刷电机就是靠霍尔传感器来确定转子位置，以使定子各相绕组顺序导通实现换相；而无传感器直流无刷机则是利用电子线路代替位置传感器(图2)，通过检测电机在运行过程中产生的反电势过零点来确定转子位置，实现换相，下面以星形绕组为例进一步说明。

图2：用电子线路代替传感器结构框图。 电机在运行过程中要经过6次换相，每次换相时总有一相绕组未通电，此时可以在该相绕组端口检测到绕组产生的反电势，反电势在60°电角度内是连续的。由于电机的规格、制造工艺有差异，导致相同电角度的反电势值不同，如果要通过检测反电势的数值来确定转子位置，难度非常大，因此必须找到该反电势与转子位置的关系，才能确定转子位置。由图3可知，反电势在60°的电角度过程中总有一次经过坐标横轴(过零点)，而此处的电角度和下一次换相点的电角度正好相差30°，故可通过检测反电势过零点，再延时30°换相。本设计是从被检测相断电开始计时等待反电势过零点，再延时等待相应时间，实现换相。

图3：电机运行时各相产生的反电势示意图。 以正向反电势检测为例，假设之前是CB通电，测A相反电势过零点，有过零点信号后等待相应时间，由139译码器开通A+，同时自动关闭C+，就转换成了AB通电；再测C相反电势，用同样的方法，开通C-，自动关闭B-，转换成AC通电；再测B相反电势，开通B+，关闭A+，转换成BC通电；再测A相反电势，开通A-，关闭C-，转换成BA通电；接着测C相反电势，开通C+，关闭B+，转换成CA通电；然后测B相反电势，开通B-，关闭A-，转换成CB通电。经过AB→AC→BC→BA→CA→CB六次换相实现直流无刷电机的连续正转；同理，反电势法经过CA→BA→BC→AC→AB→CB六次换相可实现电机的连续反转。2. 反电势过零方案在无位置传感器直流无刷电机模型推导的基础上，可以采用图4所示的方法，对无传感器直流无刷电机不导通相绕组产生的反电势进行过零检测。图4中的电阻R 起分压作用，可以看出进入比较器LM339正端的A、B、C三相电压与过零点检测相(参考相)电压明显成两倍关系，对于星形电机绕组，零点是两相通电电压的一半，经过电压比较给出零点信号到单片机，收到信号后再在程序中进行换相处理，以确保电机正常运行。LM339的出端信号就是所谓的电机转子位置信号，相当于传感器信号，实质上是发出换相通知。
                          
                       
                          
                               

图4：反电势过零检测电路。 3. 行程计量和液晶显示原理本设计中行程计量采用纯软件数据处理。由于电动车电机转子在外面，车上的辐条是固定在转子上的，因此转子转一圈车轮就转一周，所走过的路程就是车轮的周长。这样只要电机转一圈，采用内部中断，数据处理部分就做一次加法，通过累加的办法存储总路程数据，然后进行十进制转换。由于HT46R6?自带LCD驱动，因此只需将转换后的结果直接写入其RAM存储区1，即可在液晶屏上显示里程。其中数据处理部分的加法采用浮点数，这是因为HT系列单片机不支持小数操作。系统硬件结构驱动部分：74HC139译码器的输入端连接到单片机HT46R6?上，其使能控制位接HT46R6?的PWM1(即PD1口)，其它输入接普通I/O，译码器的输出直接驱动IR2132，IR2132的输入均是低电平有效，以产生输出电平去驱动MOS管P60N06的栅极，外加48V漏极电压使MOS管导通，通过这种驱动方法顺序导通各MOS管，以便给直流无刷电机连续供电。需注意的是当IR2132高于8.9V的电压时才能开通，一般采用12V或15V作为驱动，器件内带有欠电压和过电流保护；当电压低于8.9V，IR2132自动断开不工作，即没有输出，此时整个控制系统也就无法正常运作。反电势部分：采用原理部分叙述的过零方案，通过电阻取三相反电势电压，将其送往比较器LM339中每个比较器的正端，为减小干扰，正端输入需加电容滤波，而负端(参考相)电压采用48V电源的1/22。通过比较，若正端电压高于负端，则LM339的出端信号为+5V；若正端电压低于负端，则出端信号为0V，从而给出转子位置信号，即传感器信号。LCD部分：本文中的设计采用两行显示的10位液晶屏与HT46R6?的SEG0-SEG19脚和4个COM脚相连，通过向内部LCD存储区写数即可在屏幕上显示行程，自带驱动，简易直观且便于操作。选择R型偏压，则不需要连接外部电容或电阻，如果VDD大于VLCD引脚上的电压，那么VMAX连接至VDD，否则连接到VLCD，这样可以防止因电压太强造成不该点亮的液晶段选信号点亮，避免乱码的出现；若选择C型偏压，需在单片机的V1与V2之间连接0.1μF滤波电容，C1与C2之间也需要连接0.1μF充电泵电容。本文选择的是R型偏压，整体硬件原理见图5。

图5：驱动控制器硬件结构图。 用HT-IDE3000的仿真效果极佳，制成PCB板如图6、图7所示，主控板和驱动板之间用跳线连接，如果时间允许，通常将两块电路板合在一起，并附带散热片。

图6：主控制板。
                          
                       
                          
                                 

图7：电机驱动板。 系统软件流程打开电源开关，程序上电运行，系统进入初始化。初始化程序主要对各控制口设定初值，包括I/O输入输出、A/D转换、PWM控制和中断处理等。初始化完毕，判断控制开关打到正向还是反向，在非巡航模式下，等待车用转把(相当于一个电位器)给定PWM值，开始以低速同步起动，若未给定PWM值，则一直停在程序初始部分，电机不运行。一旦电机同步起动稳定后，就会有反电势产生，立即跳入反电势运行阶段。在这一阶段，可以对电机进行加速或减速，根据A/D采集电位器电压给定PWM值，平滑调速，无抖动。众所周知，车用转把是弹簧做的，松手会回弹，如果不加控制，电机就会立即停转，为解决这一问题，控制器加入了巡航功能，即PWM值给到一定程度，只要开关指向巡航，电机就以那一时刻采到的转速固定运行，即使转把回弹，电机仍以固定转速正转或反转。所以在巡航模式下，调速不起作用，当取消巡航模式，则又回到PWM随时改变的状态。在电机正常运行的同时，记录换相次数。根据电机磁极对数不同有异，本驱动系统所对应的电机换一次向才转过10°，所以换36次向才转过一圈，即正转或反转的顺序导通要循环6次。此时，执行一次内部中断，程序跳入行程计量部分，累加一次车轮的周长。当浮点数累加完毕，由键盘察看判断。若需要察看，立即跳入LCD部分，将累加完的总和转换成十进制数，此处以km为单位，保留一位小数。再调用LCD显示子程序，并使用查表的办法将转换结果写入HT46R6?单片机的RAM存储区1，即可在液晶屏上显示里程，然后中断返回到主程序。若不需要察看行程，则累加完毕就直接返回主程序。

图8：系统程序流程图。 注意，本文中控制器的主程序中，正反转两部分程序完全对称，只不过正转计量行程，而反转没有，其它细节处理上没有差别。系统软件流程如图8所示，其中反电势模块流程见图9。

图9：反电势程序流程图。 本文小结实验证明，本驱动控制系统的设计方案具有可行性。反电势检测换相很正常，无级调速系统平滑，有巡航功能；刹车及时，制动柔和，完全能实现单片机对无传感器直流无刷电机的基本控制。行程计量采用浮点数累加，结果在LCD上显示，简易直观。该控制器成本低廉，操作简单，可靠性高。本设计虽在BLDC反电势控制上取得一些进步，但功能仍需完善，IR2132要通过电阻分流设定过流值，遇到异常情况，根据过流值大小判断是否切断电路；因电机低速运行时，反电势值小，经比较器可能得不到换相信号，若将该参考端固定电压做成可变的，可增大调速范围。