基于中穎SH79F168單片機的航模無刷電調(diào)方案
摘要:本文提出了一種采用中穎8位單片機SH79F168作為主控芯片的航模無刷電調(diào)方案,用AD采樣的方法進行反電動勢檢測以控制無位置傳感器的無刷直流電機。該芯片內(nèi)部集成了PWM、ADC、增強外部中斷等有針對性的功能模塊,使軟硬件設計都大為簡化。經(jīng)實際項目應用,該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠,且與市面上的其它控制方案相比具有成本優(yōu)勢。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/173182.htm1 概述
無位置傳感器的無刷直流電機(Brushless Direct Current Motor, BLDCM)由于其快速、可靠性高、體積小、重量輕等特點,在航模領域得到了廣泛的應用。但是與有刷電機和有位置傳感器的無刷直流電機相比,其控制算法要復雜得多。加上航模設計中對重量和體積的要求非常嚴格,因此要求硬件電路盡可能簡單,更增加了軟件的難度。
本文提出了一種基于中穎8位單片機SH79F168的控制方案,借助于該芯片片內(nèi)集成的針對電機控制的功能模塊,只需很少的外圍電路即可搭建控制系統(tǒng),實現(xiàn)基于反電動勢法的無位置傳感器BLDC控制,在保證穩(wěn)定性和可靠性的基礎上大大降低了系統(tǒng)成本。而且該芯片與傳統(tǒng)8051完全兼容,易于上手,從而也降低了研發(fā)成本。
2 系統(tǒng)硬件設計
本方案選用中穎的8位單片機SH79F168做為主控芯片。該芯片采用優(yōu)化的單機器周期8051核,內(nèi)置16K FLASH存儲器,兼容傳統(tǒng)8051所有硬件資源,采用JTAG仿真方式,內(nèi)置16.6M振蕩器,同時擴展了如下功能:
雙DPTR指針. 16位 x 8乘法器和16位/8除法器.
3通道12位帶死區(qū)控制PWM,6路輸出,輸出極性可設為中心或邊沿對齊模式;同時集成故障檢測功能,可瞬時關閉PWM輸出;
7通道10位ADC模塊;
內(nèi)置放大器和比較器,可用作電流放大采樣和過流保護;
增強的外部中斷,提供4種觸發(fā)方式;
提供硬件抗干擾措施;
Flash自編程功能,方便存儲參數(shù);
主系統(tǒng)硬件架構如圖1所示,從圖中可以看出該系統(tǒng)大部分功能都由片內(nèi)集成的模塊完成。外圍電路的簡化一方面可以提高系統(tǒng)可靠性,另一方面也降低了成本。
圖 1 系統(tǒng)硬件架構
三相逆變橋采用上橋PMOS用三極管驅(qū)動,下橋NMOS用PWM端口直接驅(qū)動的方式,如圖2所示。
圖 2 三相逆變橋
SH79F169片內(nèi)集成了三通道6路PWM端口,可分別獨立配置為PWM輸出或者IO輸出。將PWM01~PWM21配置為PWM輸出,直接驅(qū)動三相逆變橋的下橋;PWM0~PWM2配置為IO端口,經(jīng)過晶體管反相電路后驅(qū)動三相逆變橋的上橋。
外部中斷輸入INT4x配置為雙沿觸發(fā),即輸入信號的上升沿和下降沿都能觸發(fā)中斷,可用于捕捉調(diào)速給定信號。
3 系統(tǒng)軟件設計
由于SH79F168的硬件已經(jīng)完成了大量的任務,軟件的部分相對簡化很多。主程序流程圖如圖3所示。
圖 3 主程序流程圖
為便于理解,該流程圖經(jīng)過了盡量的簡化,只保留最關鍵的步驟。主流程中沒有列出“檢測BEMF”和“換相”兩個關鍵的步驟,因為它們分別在PWM中斷和timer0中斷中進行。
3.1 反電動勢過零點檢測
在PWM輸出高期間,假設斷開相繞組端電壓為 ,反電動勢為 ,供電電壓為 ,則三者之間有如下關系[1]:
SH79F168提供PWM周期中斷和占空比中斷。當周期中斷發(fā)生時不斷檢測斷開相的端電壓,并與 比較,直到檢測到過零點或者PWM輸出低(根據(jù)PWM占空比中斷標志位判斷),即可實現(xiàn)在PWM輸出高期間的反電動勢過零點檢測。每次換相后就切換到另一個通道,檢測下一個斷開相的端電壓,如此循環(huán),實現(xiàn)實時檢測。
需要注意是剛換相后的一段時間內(nèi),由于MOS管的續(xù)流,斷開相繞組的電壓會出現(xiàn)尖峰。為了準確檢測反電動勢,可以選擇在剛換相的一到兩個PWM周期內(nèi)不進行采樣,避開尖峰電壓。
3.2 起動算法
BLDC電機的反電動勢和轉(zhuǎn)速正相關,在起動和低速運行階段,電機產(chǎn)生的反電動勢為零或很小,因此往往需要經(jīng)過一段強制加速,使反電動勢上升到能夠檢測過零點的水平。
航模電機一般在較低速時即會產(chǎn)生比較明顯的反電動勢,這個特點為起動提供了很大的便利。先給電機任意兩相通電,使電機獲得一個初速度,這時檢測斷開相電壓并等待其發(fā)生過零。若檢測到過零點則換相,若經(jīng)過較長一段時間還沒有檢測到過零則強制換相,重復這個過程直至電機穩(wěn)定運行。這種起動方式,不但實現(xiàn)簡單,而且穩(wěn)定可靠。在這種方式不能適用時,再根據(jù)應用場合考慮選用特定的起動方式,可參考文獻[2],限于篇幅本文不詳述。
3.3 換相計算
一般在用反電動勢法進行BLDC控制的時候,需要對每兩次換相的間隔時間進行計時,得到60°電角度時間,然后除以2作為檢測到過零點后30°延時的定時值。這就需要用到兩個定時器/計數(shù)器,一個用作計數(shù)器對每兩次換相的間隔進行計數(shù),另一個用作定時器實現(xiàn)30°延時。本方案中為了節(jié)省timer資源,用一個timer同時完成兩項功能。
在每次換相后,檢測到該通電狀態(tài)下的過零點之間,timer0用作計數(shù)器;在檢測到過零點之后,之前的計數(shù)值即為30°電角度,將其作為定時值裝入timer0,timer0用作定時器開始定時。定時時間到后,在timer0中斷中進行換相。然后timer0又用作計數(shù)器,如此循環(huán)。正常情況下,由于電機轉(zhuǎn)速很高,每次換相到檢測到過零點之間的時間很短,timer0在計數(shù)模式下不會發(fā)生中斷。若timer0在計數(shù)模式時發(fā)生中斷,必然是計數(shù)溢出,說明電機經(jīng)過較長的時間還沒有檢測到過零點,而這可以作為電機堵轉(zhuǎn)的標志。根據(jù)實際情況,可對timer0在計數(shù)模式下連續(xù)發(fā)生中斷的次數(shù)進行計數(shù),超過一定值即認為發(fā)生堵轉(zhuǎn)。這樣,timer0還實現(xiàn)了堵轉(zhuǎn)保護的功能。
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