摘要：针对一种小功率无刷直流电机( BLDCM)，采用转速闭环控制方法，充分利用C8051F320单片机( MCU)的I/O及外设功能，实现了无数字逻辑器件换相的单片机的BLDCM的稳速控制，并对这种控制方法中出现的问题及解决方法进行了详细的分析。

关键词：单片机；BLDCM；稳速

中图分类号：TM36 +1    文献标志码：A    文章编号：1001-6848(2010)07-0077-04

通常实现无刷直流电动机( BLDCM)电子换相的方法一般有以下几种：

②
  用可编程的逻辑器件（如CPLD或GAL器件）；

②利用门电路搭建换相逻辑电路；

③利用专用控制芯片；

④利用DSP中的事件管理器模块或****单片机中的专用控制模块。

而可编程的逻辑器件或门电路会增加控制器结构复杂程度，专用控制芯片只能适用于有限的应用范围，使用DSP或****单片机会增加控制器的成本。因此，设计一种利月普通单片机即可实现电子换相的结构简洁、低成本无刷直流电动机控制器就具有其实际的应用意义，本文基于此思想设计了一种无数字逻辑器件换相的单片机稳速控制器，并对其软硬件设计及试验结果进行了详细的分析。

  BLDCM无数字逻辑换相器件的稳速控制的主要思想是以普通单片机为控制核心，无需附加额外数字电路，完成电机的测速、换相、斩波及控制算法的实现，考虑到所用无刷直流电动机的功率及额定电压都较小，故在系统中对控制电路与功率变换电路采用了非隔离的电气连接方式，系统结构框图如图1所示。

    图l中，单片机选用C8051F320，其内核为51系列单片机，而驱动电路采用驱动芯片IR2130，功率变换器采用三相桥式逆变器，电机绕组采用星形连接方式，工作于两相导通三相六状态模式。直流母线过压、欠压保护利用电阻分压网络及C8051F320自带的两个比较器实现，过流保护通过采样主功率电路负压侧串联的小阻值电阻两端电压，经IR2130内部运放放大后送入其ITRIP引脚，当电压大于内部0.5 V基准时，FAULT引脚变为低电平，以此作为输入单片机的过流中断指示信号，并由单片机软件实现过流保护。

    控制器稳速控制采用转速闭环控制策略，辅以过压、欠压、过流保护，为了使启动时电流不至过大，在转速进入闭环之前对电机采用软起动，逐渐增加PWM波占空比，让电机电压与转速平稳上升，最终进入转速闭环程序，使电机稳定运行于系统给定的转速之上[3]。

    单片机主程序流程图如图2所示，软起动程序流程图如图2虚线部分所示。

   

    转速闭环通过捕获中断服务子程序完成，其包括测速和PI算法两部分，程序流程图如图3所示。

   

    电机转速的检测是利用C8051F320中的捕捉模块捕捉一相Hall信号的上升沿来触发中断，进入捕获中断服务子程序后，再用定时器对Hall信号两个上升沿之间的时间计时，则电机转速可由下式计算：

式中，n为电机计算转速，p为极对数（本系统所用的永磁无刷直流电动机为6对极），ΔT为定时器测得两个上升沿之间的时间。

  PI控制算法：利用上式计算的结果作为PI算法每一拍所求的电机实际转速反馈值，PI调节采用增量式PI算法，只需前盾两拍的反馈值即可实现电机稳速控制，该方法简单、可靠，在此不再祥述。

    (1) PWM波的产生

    利用C8051F320内部PCAO中的8位脉宽调制功能可产生PWM波。通过改变PCAOCPHO寄存器值，即可以实时的改变PWM占空比。

    (2)换相与斩波的合成

    C8051F320根据检测到的三路Hall信号，通过查表法得出的三相桥式逆变器的六路换相信号，再与PWM信号进行逻辑与运算，完成对六路换相信号的斩波合成，最后经单片机的六个I/O端口直接输出到IR2130的六路输入控制端，换相斩波程序流程图如图4所示。

 

    为使电机正常运行，在主程序中需要不断地循环运行换相斩波程序，而在进行转速PI调节时，又需要运行捕获中断服务子程序。由于51单片机在同一时刻只能执行其中的一个程序，因此在控制电机运行的换相斩波程序与PI算法程序之间就出现了运行时间上的矛盾，而这两个程序又是保证电机稳速运行最关键的两个子程序，所以两个子程序的协调运行就成为整个控制程序中最关键的技术。

  运行测速程序及PI程序的时间经实测为360μs，在这段时间里无法实现电机的换相斩波程序，敞换相斩波信号仍处于进入PI之前的运行状态，电机由于惯性会使保持转动，但电流会出现异常，其波形如图5中的曲线2所示。由其它中断服务程序语句及计算量都很小，所以该运行时间的冲突不会影响斩波及换相。

    由图5曲线2可以看出，母线电流会在某些时刻出现很大的尖峰，而在某些时刻会降为零，图5中曲线1所示波形表示当进入捕获中断服务子程序时（包括测速与PI计算部分），令所测信号为高电乎，当要跳出时让所测信号为低电平（图6相同）；图6曲线2波形为六路换相斩波信号中的一路；通过对比捕获中断服务子程序运行时间的测试信号、一路换相斩波信号与母线电流采样波形可以看出，正是由于运行捕获中断服务子程序而使得在这段时间内，换相信号无法斩波而保持进入PI之前的状态。由于PWM占空比是不断调节的，所以这个状态或为“1”或为“0”，360 ps相对于每个MOS管斩波时间（电机l 500 r/rnin时斩波时间为2 ms）比较小，所以此处的“1”或“O”只会影响到斩波，不会影响换相。当此状态为“1”时，相当于使电机由斩波运行状态立即变为全电压运行状态，故母线电流会瞬间升高，出现电流尖峰，而由于惯性的存在，转速不会发生突变；而当此扶态为“O”时，相当于马上封锁六路输出，使电机运行于零电压状态，电流瞬间掉为零（若电机电感大也可能是一个很小的值），同样，由于惯性转速不会突变。

  解决方法：电流的尖峰冲击对电机及控制器是有害的，为了解决母线电流尖峰问题，在程序进入捕获中断服务子程序时（即测速+PI），立即封锁六路输出，强制电机母线电流为零，待捕获中断服务子程序（测速+ PI）时执行结束，返回主程序后，回复换相斩波程序，六路输出按换相斩波程序计算结果输出，使电机正常工作。

    由于捕获中断服务子程序（测速+ PI）执行的时间很短，电机运行及调速一般不会受到影响，但对电流的影响明显。图7曲线2为A相绕组的相电流波形（图8与之相同），图8曲线2是改进程序后的母线电流波形，由此可以看出，这种方法会使电机在程序运行捕获中断服务子程序时运行在断电状态，这个时间很短，母线电流无尖峰，峰值平稳，但会使电机运行的机械特性稍微变软。

    试验电机选用某型IOOW/12VDC无刷直流电动机，6对极，稳逮精度要求(1 500±20) r/min，起动时间1 s~2 s。由图9可以看出，电机的起动时问约在Is左右，由图10可以计算出实际稳速精度高于(8/1500)×1000=百分之5.3。

    本文提出的这种单片机控制方法能够很好的实现小功率无刷直流电动机的稳速控制，无需专用的无刷直流电动机控制芯片，一片普通单片机即可完成换相斩波、测速、及其控制算法，结构精简，电路板体积小，实现容易；但缺点在于换相斩波程序与控制算法运行时间上的矛盾会使在斩渡换相在程序运行过程中出现短时间的中止。使机械特性小幅度变软，不适合拖动较大负载。