1、本科毕业设计（20届）无位置传感器无刷电机调速系统设计所在学院专业班级电气工程及其自动化学生姓名学号指导教师职称完成日期年月摘要【摘要】无位置传感器无刷直流电机不但具有传统无刷直流电机良好的调速性能，并且效率高、体积小具有更好可靠性和环境适应性，因此在工业领域中广泛应用。本系统设计的基于C8051F330单片机控制的无位置传感器无刷电机调速系统能对无位置传感器无刷电机启动、调速、保护等控制。本论文首先介绍了无刷电机控制原理。然后对无位置传感器无刷直流电机控制中的关键技术问题转子位置检测方法、起动控制策略、反电势过零点滤波等进行探讨，并详细介绍了以C8051F330单片机为控制器的软、硬件实现方
2、法和设计过程中出现的问题的分析。【关键词】无位置传感器；直流无刷电机；单片机。ABSTRACT【ABSTRACT】BRUSHLESSDCMOTORISWIDELYAPPLIEDTOALLKINDSOFFIELDSOWETOITSSTRONGABILITYOFSPEEDREGULATION,HIGHEFFICIENCYANDSMALLSIZEONTHEOTHERHAND,SENSORLESSBRUSHLESSDCMOTORBLDCMISMOREPOPULARININDUSTRIALFIELDSASITISMORERELIABLEANDADAPTABLETHISDESIGNACCOMPLISHES
3、ASENSORLESSBRUSHLESSDCMOTORCONTROLSYSTEMBASEDONC8051F330,WHICHCONDUCTSTHECONTROLOFTHEBRUSHLESSMOTORSSTARTUP,SPEEDREGULATION,STOPANDPROTECTINGTHISDESIGNACCOMPLISHESASPEEDREGULATIONSYSTEMOFSENSORLESSBRUSHLESSDCMOTORCONTROLLEDBYTHESINGLECHIPMICROCOMPUTERC8051F330MEANWHILE,THEPAPERSTARTSWITHTHECONTROLLI
4、NGPRINCIPLESOFBRUSHLESSMOTORANDTHENDISCUSSESSOMEPIVOTALTECHNIQUESPROBLEMSOFSENSORLESSBRUSHLESSDCMOTORCONTROL,SUCHASDETECTIONMETHODSOFROTORPOSITION,STARTINGCONTROLSTRATEGIESANDBACKEMFCROSSINGZEROPOINTFILTERINGBESIDES,BOTHSOFTWAREANDHARDWARECONTROLLEDBYTHESINGLECHIPMICROCOMPUTERC8051F330AREINTRODUCEDI
5、NDETAILASWELLASTHEIRWORKINGPROCEDURES【KEYWORDS】SENSORLESS；BRUSHLESSDCMOTOR；SINGLECHIPMICROCOMPUTER。II目录摘要I目录II1绪论111无刷直流电机的研究背景和发展现状1111无刷直流电机的发展背景1112无刷直流电机的研究现状112无位置传感器无刷直流电机的研究意义2121无刷直流电机的研究意义2122无刷直流电机无位置传感器控制的研究意义313本论文的主要工作32无位置传感器无刷直流电机的原理与系统总体设计421无位置传感器无刷直流电机的基本结构和工作原理4211无位置传感器无刷直流电机的基本结
6、构4212无位置传感器无刷直流电机的工作原理422转子位置检测方法5221转子位置检测方法的选择95222反电势法介绍7223反电势过零点检测法介绍823三段式启动方法9231转子定位10232外同步加速10233自同步自动换相1024无位置传感器无刷电机调速系统总体设计1025控制器选择11251C8051F330主要性能参数1011252C8051F330的10位ADC12253C8051F330的8位脉宽调制方式133系统硬件设计1531系统硬件总体结构1532功率管驱动电路1533功率管主电路17331三相桥式逆变电路17332电压电流检测电路1834反电势滤波电路1835单片机最小系
7、统194系统软件设计2141系统软件总体结构2142初始化程序设计2143电机启动程序22III44端电压检测及换相程序2345运行控制程序255系统调试及波形分析2651硬件调试26511单片机最小系统26512功率电路26513反电势滤波电路2752软件调试2753实验波形分析28531外同步阶段波形28532自同步阶段波形29533换相超前时波形306结束语31参考文献32致谢错误未定义书签。附录331绪论11无刷直流电机的研究背景和发展现状111无刷直流电机的发展背景自十九世纪四十年代直流电机出现以来，由于它良好的动静态性能和调速性能指标，在运动控制领域很长一段时间内一直都占据主导地位
8、。但是它优良的性能需要依靠有机械接触的电刷和换向器来实现，这大大加大了直流电机结构的复杂性和发生故障的概率，使用场合也的受到了很大的限制。例如，由于机械摩擦带来的噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等问题，严重的限制了直流电机的应用。为此人们一直在寻求以交流电动机取代具有电刷和机械式换向器的直流电动机，来满足各种领域的需要。但是因为三相交流电动机是一个多变量、非线性时变的复杂系统，可控性较差。因此在很长一段时间里与直流传动系统相比，交流传动系统在控制性能与成本、复杂性、可靠性等方面都有一定差距。但是随着微处理器技术、电力电子技术和电机控制理论的发展，交流调速已经取得了巨大的进步，各方面性能指标都有
9、很大的提高，并且交流电机本来的结构简单、易维护等优点又得到了充分发挥，目前交流传动系统正迅速取代传统的直流传动系统12。112无刷直流电机的研究现状针对传统直流电机的缺点，早在20世纪30年代，有人就开始以电子换相来代替机械换向的无刷直流电机研究，并取得了一定的成果。但是当时大功率电子开关器件的发展正处于起步阶段，没有理想的电子换相元件，因此这种电机的研究只能停留在实验室阶段。1955年，美国的DHARRISON首次实现了利用晶体管电子开关代替电刷，但是这只是无刷直流电机的简单雏形，没有起动转矩，没有实现应用。到了六十年代，利用霍尔元件来实现换相以及高强度稀土永久磁铁的有效利用，为无刷直流电机
10、的出现创造了有利条件。七十年代以来，伴随着电力电子技术的飞速发展，很多新型高性能的半导体功率器件，例如GTR,MOSFET,IGBT等的相继出现，以及高性能永磁材料，如衫钻、钦铁硼等的问世，为无刷直流电机的广泛应用奠定了坚实的基础，因而无刷直流电动机系统得到了迅速的发展。1978年，MANNESMANN公司的INDRAMAT分部在汉诺威贸易博览会上正式推出了MAC无刷直流电动机系统，这标志着无刷直流电动机技术已经进入实用化阶段。随着人们日益深入的了解无刷直流电动机特性，使得无刷直流电动机的理论也逐渐得到完善。1986年，HRBOLTON在一篇论文中对方波无刷直流电动机的特性进行了全面系统的总结
11、，指出了这种电机的主要研究领域和研究方法，这篇论文标志着方波无刷直流电动机在理论上已基本成熟。2我国对无刷直流电动机的研究起步较晚，在八十年代以前，国内对方波无刷直流电动机的研究几乎是空白。在1987年，北京举办的联办德国金属加工设备展览会上，SIEMENS和BOSCH两公司展出的永磁式同步伺服系统和驱动器，引起了国内有关学者广泛的关注。从此，国内掀起了研制开发和技术引进的热潮。经过多年的努力，现在国内已有方波无刷直流电动机的系列产品，并且形成了一定生产规模。目前，国内主要的研究工作主要集中在对无刷直流电机的无位置传感器控制上，己取得了很大的成果，并且得到了实际应用34。12无位置传感器无刷直
12、流电机的研究意义121无刷直流电机的研究意义在交流传动系统中目前应用的电动机主要有感应电动机和永磁同步电动机两种，而永磁同步电动机根据不同的工作原理，可分为正弦波反电势的永磁同步电动机PMSM和方波反电动势的无刷直流电动机BLDCM。通过采用矢量控制的异步电动机，目前己经能够得到接近直流调速系统的机械特性和较宽的调速范围，但是存在着控制较为复杂的主要缺点，并且对电机参数的依赖性较强；而采用PWM控制的永磁同步电机可以得到与直流电机完全等效的外特性，与感应电机相比，体积小、重量轻、效率高、控制相对简单、不存在励磁损耗问题等。因此在高性能应用领域，永磁同步电动机具有更多的优势。与正弦波永磁同步电机
13、相比，方波无刷直流电动机虽然有转矩脉动的问题，但它不需要正弦波永磁同步电机中的绝对位置编码器，其功率密度更高，输出转矩更大，而且控制结构更为简单，能使电机与逆变器的潜力得到更充分的发挥。因此，永磁无刷直流电动机的应用和研究受到了广泛重视。无刷直流电机的最大特点是以半导体开关元件代替了由电刷和换向器组成的机械换向结构。没有滑动电接触，消除了传统直流电机换向产生的噪声、火花等，而且它的抗干扰性能好，运行可靠，维护方便，也延长了电机的使用寿命。无刷直流电机的转子采用永磁体激磁，没有激磁损耗，提高了电机整体效率。电枢绕组位在定子上，热阻小，散热方便，使电机的温升容易得到控制。在相同功率情况下，和交流电
14、机相比无刷直流电机比体积小、效率高。同时，无刷直流电机还保持了有刷直流电机优良的调速特性，转速控制方便。从20世纪八十年代以来，随着新型稀土永磁材料的发展应用，无刷直流电动机的造价更低，性能更为优越，再加上消除了直流电动机机械换向带来的一系列限制，而且体积小、重量轻、效率高、转动惯量小，因此目前在仪器仪表、医疗器械、化工、办公自动化设备以及家电产品等领域具有广泛应用。尤其在节能己成为时代主题的今天，无刷直流电机的高效率更显示了它巨大的应用价值。因此，对无刷直流电动机的研究非常必要，具有重大实际应用价值。3122无刷直流电机无位置传感器控制的研究意义无刷直流电动机的电子换向主要通过检测转子的相对
15、位置来进行正确的换向。传统的无刷直流电机一般采用霍尔元件作为位置信号传感器。但是，随着电机尺寸的进一步缩小，使用霍尔元件的弊端就日益突出。第一，电机内部用于安装霍尔元件的位置受到了限制；第二，霍尔元件对温度的变化以及电机应用中经常遇到的各种噪声敏感，而且传感器信号传输线过多会引入干扰，容易造成误操作。第三，霍尔元件的安装会使电机结构变得复杂、可靠性降低。从控制系统的成本、维护、可靠性等方面考虑，无位置传感器的传动系统对提高系统可靠性和对环境的适应性有重要的意义。转子位置的准确检测是逆变器开关状态切换的基础，其精度高低将直接影响转矩输出。所以对于无刷直流电动机的控制无位置传感器的研究已被国内外学
16、术界所重视，成为近年来的研究热点。虽然国内有许多的专家学者在无刷直流电动机无位置传感器控制方面已经做了很多的研究，也取得了不小的成绩，但是，与发达国家研究水平相比，还有很大的差距。因此，研究无刷直流电动机无位置传感器控制对于缩短与发达国家的差距，满足人民生产生活需要，提高人民生活水平有重要的意义。13本论文的主要工作论文首先介绍无刷直流电机的基本结构和工作原理。然后对无位置传感器无刷直流电机控制中的关键技术问题转子位置检测方法、起动控制策略、反电势过零点滤波等进行探讨，并详细介绍了功率驱动电路和以C8051F330单片机为控制器的无位置传感器无刷电机调速系统实现方法，并对系统调试过程中出现的各
17、种问题进行了分析和总结。42无位置传感器无刷直流电机的原理与系统总体设计21无位置传感器无刷直流电机的基本结构和工作原理211无位置传感器无刷直流电机的基本结构传统的无刷直流电机结构原理如图21所示，它主要由三部分组成永磁电机本体、电子换向器、转子位置传感器。直流电源电子换向器位置信号处理转子位置传感器BLCDM图21无刷直流电机结构原理图对无位置传感器无刷直流电机来说，可以检测电机相关信息量，经处理后得到位置信号从而实现位置传感器功能，也就是说用无位置传感器控制方式来取代传统的位置传感器。212无位置传感器无刷直流电机的工作原理本系统设计的是全桥星接无刷直流电机其驱动原理如下图22三相星形联
18、接全桥驱动原理图如图22所示，位置信号通过位置检测电路检测无刷直流电机的端电压并经过处理器处理后得到，再通过驱动电路按照转子的位置信号来轮流导通逆变桥的6个功率管，实现对电机三相绕组通电。三相桥式星形联接的无刷直流电机在每一个时刻都有两相绕组导通，另一相处于关断状态。功率管有六种触发状态，每种状态下只有两个功率管导通且每隔60电角度换相一次，每次切换一个5功率管，也就是说每个功率管导通120电角度。因为采用两两导通方式，每次只有两相导通，另一相关断，所以导通相相电流大小相等方向相反而非导通相相电流为零，非导通相会有一次反电势过零。对于采用单极性PWM控制方式（上桥臂功率管采用PWM控制，下桥臂
19、功率管直接开关）时功率管的工作状态与换相对应关系为表21所示。换相控制字为05。表21功率管的工作状态与换相的对应关系换相控制字各功率管工作状态T1T2T3T4T5T60PWMOFFOFFONOFFOFF1PWMOFFOFFOFFOFFON2OFFOFFPWMOFFOFFON3OFFONPWMOFFOFFOFF4OFFONOFFOFFPWMOFF5OFFOFFOFFONPWMOFF22转子位置检测方法无位置传感器无刷直流电机控制是指不使用位置传感器，而是使用其他方法间接得到转子位置信号、角速度等状态量，从而确定逆变器功率管的切换，对定子绕组进行换相，保持定子电流和反电势在相位上的严格同步。22
20、1转子位置检测方法的选择9在无位置传感器无刷直流电机控制中，研究的一个核心问题是怎样通过软件和硬件的方法设计一种转子状态量的检测电路。因为可以直接测量到的状态量一般只有相电压和相电流，因此目前的研究成果所提出的无位置传感器无刷直流电机控制方法中大部分是基于这两个观测量。目前常用的无传感器位置检测方法有反电势法、状态观测法、续流二极管法、电感法，下面做简要介绍。（1）反电势法“反电势法”是通过检测电机的反电势获得转子位置信号的方法。根据对反电势不同处理，反电势法又可分为反电势过零点检测法、锁相环技术法、反电势逻辑电平积分法等。反电势过零点检测法在无刷直流电机中，由于绕组反电势是正负交变的，当某相
21、绕组反电势过零时，转子直轴恰好与该项绕组轴线相重合。因此只要检测到各相反电动势过零点，就可以获得转子的若干关键位置，从而省去了位置传感器实现无刷直流电机的无位置传感器控制，这是目前应用最广泛的方法。6这种方法的缺点在于静止或低速时反电势信号为零或很小，很难准确检测到绕组的反电势过零点，因而无法得到有效的转子位置信号，系统低速性能较差，需要采用开环方法进行启动，此外，为了消除PWM调制引起的干扰信号，需要对反电势进行深度滤波，这会造成与电机转速有关的信号相移，因此需要进行相移补偿。锁相环技术法锁相环技术法是利用非导通相的反电势经过逻辑处理后得到周期为60度电角度脉冲列，然后采用PLL锁相技术将脉
22、冲列倍频，再通过同步计数器计数值和锁存预置值的比较，得到理想的换相点。由于该方法硬件上需要三分频、锁相环电路等，电路结构较为复杂，应用并不广泛。反电势逻辑电平积分比较法反电势逻辑电平积分比较法是将两相反电势进行过零比较处理，在得到逻辑电平后再对两路逻辑电平进行积分处理，由于这两路逻辑电平积分值关系反映相位的关系，因此可以用于确定电机转子的磁场位置。此方法的优点在于只需要检测非导通相的反电势极性，这有利于提高低速性能。但是由于这种方法需要进行积分比较，增加了检测电路的复杂性，也增加了软件的运算量，同时还增加了成本，不便于实际应用。反电势3次谐波积分法此方法适用于120导通、绕组星型接法的无刷直流
23、电机控制中。由于梯形波的反电势包含三次谐波分量，因此获取此分量并对其进行积分，当积分值为零时即得到了相应的转子位置信息。这种位置检测方法与利用反电动势过零点检测方法相比可以获得较宽的调速范围，但也需要采用开环起动方式。（2）状态观测法状态观测法就是以电机转速、转子位置角、电流等参数为状态变量，在定义状态量的基础上对电机建立相应的数学模型，通过数字滤波得出其状态变量的离散值，从而实现对电机的控制。这种方法能较好解决电机在高速、重载情况下难于控制的问题，而且它良好的抗干扰能力使其更适合在恶劣的环境中工作。但是状态观测法庞大的运算量在一定程度上限制了它的应用。这种方法一般采用DSP来承担庞大的运算量
24、，因而增加了系统成本，因此在实际中使用较少。比较常用的是扩展卡尔曼滤波法，对具有随机干扰的非线性系统来说卡尔曼滤波器是最优的递推估算器。扩展卡尔曼滤波法是通过建立电机的数学模型，周期性检测外加电压、不导通相反电势和负载电流等变量，然后利用特定算法得到电机转子的位置和速度的估计值。在通过比较估计值与设定值的差值后经过PID调节，达到控制电机的目的。在电机控制中，由于需要实现的控制目的各不相同，选取的状态变量以及建立的系统模型和观察模型也不相同。但是由于扩展卡尔曼滤波法计算量大，对系统参数敏感和需要初始位置信息缺点它的实际应用。7（3）续流二极管法当无刷直流电机采用120导通方式时，由于非导通相的
25、绕组电流有一个续流的过程，因此只要监测并联在6个功率管上的续流二极管的导通情况，就可以得到6个功率管的开关顺序。这种方法可以提高电机调速范围，特别是可以拓宽电机转速下限。但是由于要求逆变器必须工作在上下功率管轮流处于PWM斩波方式，这增大了控制难度。其次，续流二极管导通的无效信号和毛刺干扰造成的误导通信号也不易去除。而且由于此方法的转子位置误差比较大，绕组电感量、反电势系数不是常数，反电势波形不是标准的梯形波等因素都会造成转子位置误差，需要一定的补偿措施。这种方法目前国内应用不是很广泛，技术也不是很成熟。（4）电感法电感法有两种形式一种是应用于凸极式永磁无刷直流电机，另一种是应用于内嵌式磁钢结
26、构的永磁无刷直流电机。第一种电感法是通过在启动过程中对电机绕组施加探测电压来判断电感的变化。在凸极电机中，由于绕组自感可以表示成绕组轴线与转子直轴间夹角的偶次余弦函数，因此通过检测绕组自感变化，就可判断转子轴线的位置信号。但是这种方法难度较大，并且只能应用于凸极电机，现在应用较少。第二种方法的原理是在内嵌式无刷直流电机中，绕组电感会因转子位置改变而发生相应的变化，通过检测这些变化再通过一定计算就可的到转子位置信号。但是这种方法需要对绕组电感进行不间断的实时检测，这增加了实现的难度，所以应用不是很广泛。222反电势法介绍反电势法是目前应用最广泛的转子位置信号检测方法。它经常用于电枢绕组采用星型接
27、法的三相六拍120方波型驱动的永磁无刷直流电机。图23给出逆变器主电路。8图23逆变器主电路反电势法基本原理在逆变器供电的任一瞬间，总有一相上下桥臂处于断开状态，因此该相绕组的相电压等于其感生电势。在理想情况下三相的感应电动势E和相电流I如图24所示。在忽略电枢反应对气隙磁场造成影响前提下，可认为这一感生电动势就等于该相绕组产生的反电势。反电势过零点可以通过检测相电压或端电压得到，检测到过零点时刻并作30电角度延时，就可以得到功率器件的正确触发时刻，据此依次就得到了转子的六个关键位置信号，并以此为依据，轮流触发这六个功率管，驱动电机运转。图24理想情况下三相感应电动势E与相电流I的波形223反
28、电势过零点检测法介绍由于电机绕组中性点一般不引出，因此直接测定绕组反电势相电压值比较困难。但是测量两相端子对地电压比较方便。图25显示了无刷直流电机定子的相等效电路，L是相电感，R是相电阻，XE是反电势，NV是电机定子绕组中性点对地电压，UU、VU、WU是每相输出端对地电压。LREX0W、V、UUDUXVN图25定子相等效电路9由图25建立二相端电压平衡方程为UUUUNDIURILEVDT（21）VVVVNDIURILEVDT（22）WWWWNDIURILEVDT（23）由于采用两两通电方式，所以在每个瞬间只有两相导通，设U相和V相导通，且从U相流入V相流出，这时U、V两相的电流大小相等，方向
29、相反，W相电流为0，则式23简化为WWNUEV（24）WWNEUV（25）将式（31）和（32）相加得到中性点电压为1122NUVUVVUVEE（26）再将式（36）代入式（35）得到W相反电势过零检测方程为1122WWUVUVEUUVEE（27）当WE过零时，0UVEE，UDUU，0VU，式（37）变为1122WUVDUUVU（28）同理可得U相和V相反电势过零检测方程为1122UWVDUUVU（29）1122VUWDUUVU（210）式（38）、（39）、（310）显示，当二相定子绕组的反电势过零点与端电压过中点在时间上重合，因为反电势波形与端电压波形频率相等，所以寻找到反电势过零点后30
30、电角度就相当于寻找端电压过中点后30电角度。23三段式启动方法由前面所述，在系统中采用最易实现的反电势过零检测法对转子位置进行检测，实现换相控制。但是由于无刷直流电机在静止或低速时反电势为零或很小，无法进行转子位置的判断，因此需要采用特殊的起动方法，通常按它控式同步电动机的运行状态从静止开始加速，直至转速达到一定，能够检测到位置信号，然后切换到无刷直流电机运行状态。这个过程为三段式起动技术，它包括转子定位，同步加速和运行状态切换三个阶段。10231转子定位由于电机静止时转子的初始位置决定了逆变器第一次应触发那两个功率管，最简单的方法是先把逆变器的某两相导通并控制电机电流，经过一定时间使转子转到
31、一个预知位置。此方法容易实现但是存在一定的问题，当转子的起始位置与导通的两个功率管决定的磁场方向恰好相反时，转子可能不动导致定位失败。因此现在本系统采用的方法是先给预定的两相通电并持续一定的时间，使转子转到预定的磁场方向上，然后按电机旋转方向的换相顺序定位到下一拍，并维持一定的时间，确保转子转到下一拍磁场方向上，这样可以确保电机定位准确。232外同步加速在本系统中为使电机稳定加速起动，采用升频升压的外同步起动方法，也就是通过逐渐减小六拍的换相时间和逐渐增大PWM的占空比提高输出电压来逐步提高电机的转速，在实际调速过程中空载起动时当PWM占空比达到25时电机转速已经完全可以检测到相电压。此外非常
32、重要的是换相频率和输出电压的调整，必须相互匹配，否则，当换相频率过慢时会导致定子磁场滞后转子产生很大的电流，当换相频率太快时会导致转子超前使电机失步卡死。具体换相频率和输出电压的匹配方法将在第4章详细介绍。当电机达到一定转速且能检测到反电动势过零点时，进入恒频恒压阶段并且开始检测六拍的每一拍是否能够检测到反电势过零点，当连续六拍都检测到反电势过零点时就切换到闭环自动换相状态。这样可以防止干扰等引起的误检测影响起动过程的顺利完成。233自同步自动换相从电机运行状态切换的条件可以知道当连续六拍都检测到反电势过零点时电机可以从外同步状态切换到自同步状态。而且由于进行状态切换时电机当前所处的拍是知道的
33、，所以在闭环自动换相过程中可以根据当前电机所处的拍知道下一个拍的导通相和关断相。这样形成一个循环实现电机根据拍值自动换相。24无位置传感器无刷电机调速系统总体设计如图26可知，本系统由单片机控制模块、功率驱动模块、功率主电路、转子位置检测模块组成。系统采用反电势过零点检测法，转子位置信号由端电压进行无源深度滤波产生，通过单片机的ADC进行位置信号的采样，然后控制功率驱动模块来轮流导通逆变桥的6个功率管使电机正常运转，并且通过PWM控制实现电机的调速，在此期间定时检测相电流和电源电压。11单片机电流检测电压检测PWM调节功率驱动模块功率主电路无刷直流电机转子位置检测模块图26无位置传感器无刷直流
34、电机调速系统结构框图25控制器选择从无刷直流电机的工作原理可知，在运行过程中需要不断检测反电势过零点信号也就是检测端电压的值，而且其值的精度直接影响电机换相的时刻，这对电机运行的效率有直接的影响，此外由于电机转速较高，位置信号的频率较高，需要采用转换速率较高的ADC。C8051F330单片机内置有一个200KSPS的10位逐次逼近寄存器型ADC并且拥有两个16通道模拟多路选择器，足以进行反电势过零点检测和电源电压、工作电流检测且精度比较高，而且C8051F330单片机的16为可编程计数器/定时器阵列可以通过8位脉宽调制方式方便的产生三个PWM波，从而实现无刷直流电机的运行。并且C8051F33
35、0单片机的最大时钟频率达到25MHZ具有较快的处理能力，所以本系统选用C8051F330单片机，设计制作了一个无位置传感器无刷电机调速系统。251C8051F330主要性能参数10C8051F330是完全集成的混合信号片上系统型MCU，具有片内上电复位、VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F330是真正能独立工作的片上系统。FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。用户软件对所有外设具有完全的控制，可以关断任何一个或所有外设以节省功耗。片内SILICONLABS二线（C2）开发接口允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵
36、入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。调试逻辑支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、单步、运行和停机命令。在使用C2进行调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。两个C2接口引脚可以与用户功能共享，使在系统调试功能不占用封装引脚。每种器件都可在工业温度范围（45到85）内用27V36V的电压工作。端口I/O和/RST引脚都容许5V的输入信号电压。C8051F330的一些主要特性高速、流水线结构的8051兼容的CIP51内核（可达25MIPS）12全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）真正10位200KSPS的16通道单端/差分ADC，带模拟多路器10位电流输出DAC高精度可编程的25M
37、HZ内部振荡器8KB可在系统编程的FLASH存储器768字节片内RAM硬件实现的SMBUS/I2C、增强型UART和增强型SPI串行接口4个通用的16位定时器具有3个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数定时器阵列（PCA片内上电复位、VDD监视器和温度传感器片内电压比较器17个端口I/O（容许5V输入）图27C8051F330原理框图252C8051F330的10位ADCC8051F330的ADC0子系统集成了两个16通道模拟多路选择器和一个200KSPS的10位逐次逼近寄存器型ADC，ADC中集成了跟踪保持电路和可编程窗口检测器。AMUX0数据转换方式及窗口检测器都可用软件通过特殊功
38、能寄存器来配置（见图28）。ADC0可以工作在单端方式或差分13方式，可以被配置为用于测量P0P1、温度传感器输出或VDD。图28ADC功能框图模拟多路选择器AMUX0用以选择ADC的正输入和负输入，P0P1、片内温度传感器输出和正电源VDD中的任何一个都可以被选择为正输入；P0P1、VREF和GND中的任何一个都可以被选择为负输入。当GND被选择为负输入时ADC0工作在单端方式；在所有其它时间ADC0工作在差分方式。ADC0的输入通道由寄存器AMX0P和AMUX0N选择。253C8051F330的8位脉宽调制方式C8051F330上的16位的PCA计数器/定时器由两个8位的SFR组成PCA0
39、L和PCA0H。PCA0H是16位计数器/定时器的高字节而PCA0L是低字节。在读PCA0L时“瞬象寄存器”自动锁存PCA0H的值，随后读PCA0H时将访问这个“瞬象寄存器”而不是PCA0H本身。先读PCA0L寄存器可以保证正确读取整个16位PCA计数器的值。读PCA0H或PCA0L不影响计数器工作，PCA0MD寄存器中的CPS2CPS0位用于选择PCA计数器/定时器的时基，如表24所示。表22PCA时基输入选择CPS2CPS1CPS0时间基准000系统时钟的12分频001系统时钟的4分频010定时器0溢出14011ECI下降沿100系统时钟101外部振荡器的8分频PCA中每个模块都可以被独立
40、地用于在对应的CEXN引脚产生脉宽调制（PWM）输出。PWM输出的频率取决于PCA计数器/定时器的时基。使用模块的捕捉/比较寄存器PCA0CPLN改变PWM输出信号的占空比当。PCA计数器/定时器的低字节（PCA0L）与PCA0CPLN中的值相等，CEXN引脚上的输出被置1；当PCA0L中的计数值溢出时CEXN输出被复位（见图28）。当计数器/定时器的低字节PCA0L溢出时从（0XFF到0X00），保存在PCA0CPHN中的值被自动装入到PCA0CPLN，不需软件干预。通过将PCA0CPMN寄存器中的ECOMN和PWMN位置1来允许8位脉冲宽度调制器方式。注意当向PCA0的捕捉/比较寄存器写入
41、一个16位数值时，应先写低字节；向PCA0CPLN的写入操作将清0ECOMN位；向PCA0CPHN写入时将置1ECOMN位。图28PCA的8位PWM方式原理框图8位PWM方式的占空比N2560256PCACPH（211）从公式可知，最大占空比为100（PCA0CPHN0时），最小占空比为039（PCA0CPHN0XFF时），也可以通过清0ECOMN位来产生0的占空比。153系统硬件设计31系统硬件总体结构如图31所示，系统硬件电路可以分为以下部分单片机最小系统、功率管驱动电路、功率主电路、反电势过零点滤波电路、电流电压检测电路组成。单片机最小系统由C8051F330和一些外围电路构成，此单片机
42、最小系统通过JTAG接口进行仿真；电压检测通过对电源电压分压然经C8051F330内部ADC采样得到；电流检测通过对串联在地线上的采样电阻进行A/D采用得到。PWM调节通过C8051F330内部的8位脉宽调制器方式提供，通过调整PCA0CPHN和ECOMN获得占空比为0100的脉冲；功率主电路实际上是一个三相桥式逆变电路；通过单片机的ADC进行位置信号的采样，然后控制功率驱动电路来轮流导通逆变电路的6个功率管使电机正常运转，并且通过PWM控制实现电机的调速。无刷直流电机选用6六对极KV值为1000的新西达电机，其额定工作电流为7A。C8051F330最小系统三相桥式功率主电路电压检测电路电流检
43、测电路PWM调节反电势过零点滤波电路驱动电路无刷直流电机图31系统硬件总体结构框图32功率管驱动电路本系统采用的功率管驱动芯片为安森美公司生产的NCP5106B，这是一款高电压栅极驱动IC，提供2个独立的输入其两个输出可以分别直接驱动2个N沟道MOSFET或IGBT，它采用自举技术来确保正确驱动上桥侧功率管的开关。其特点是高电压范围为600V，抗扰性为50V/NS，栅极驱动电压为10V20V，输入兼容33V和5V逻辑电平，死区保护响应时间为100NS。NCP5106引脚说明如表31所示，引脚图如图32所示。其输入输出时序如图33所示。表31NCP5106引脚说明引脚序号引脚名称功能描述161V
44、CC电源10V20V2IN_HI高侧驱动器逻辑输入3IN_LO低侧驱动器逻辑输入4GND接地5DRV_LO低侧栅极驱动输出6BRIDGE悬浮电源7DRV_HI高侧栅极驱动输出8VBOOT自举电源图32NCP5106引脚图图33输入/输出时序图MOS管驱动电路如图34所示，其中C8为自举电容，D7为自举二极管，此电路的工作原理是当下桥的MOS管导通，上桥的MOS管截止时，VCC通过自举二极管使自举电容充电，使电容两边电压接近10V；当下桥的MOS管截止上桥的MOS管导通时，VBOOT端电压升高，由于自举二极管反偏截止，自举电容无法向VCC反向放电，使自举电容上端电压向上抬高并在短时间内保持17不
45、变。这个电压经驱动芯片内部控制为DRV_HI提供足够的驱动电压，使上桥MOS管充分导通。在实际调试过程中发现自举电容不能太小，当电容小于033UF时上桥MOS管不能充分导通，而且瓷片电容的效果要好于电解电容。图34MOS管驱动电路33功率管主电路331三相桥式逆变电路在本系统采用全桥驱动方式驱动无刷直流电机，三相全桥逆变驱动虽然增加了功率管的数量，但是增大了输出转矩且转矩波动小，起动特性和低速平稳性好。选用的MOSFET为N沟道SI4166DY，其连续漏电流可以达到305A完全可以达到我所采用的新西达电机额定工作电流7A的要求。此外其开通时间为86NS，关断时间为90NS满足系统的要求。如图3
46、5所示D1D6为六个功率管（MOSFET），电容C4、C5起滤波作用，J3联接无刷直流电机的三相绕组。C8051F330单片机输出3路PWM信号和3路控制信号控制六个功率管的触发，使其按规律通断将直流电逆变为方波交流电给无刷直流电机三相绕组供电。由于MOSFET的栅源极之间存在寄生电容，MOSFET的开关过程是对电容的充放电过程这可能会降低MOSFET的开关速度，所以电路中在MOSFET的栅极和驱动输出之间串联了一个10栅极电阻（图35中的R1R6），其作用是调节MOSFET的开关速度，减少栅极出现的振铃现象，对栅极电容的充放电起限流作用。另外由于MOSFET的关断速度比开启速度慢，所以电路中
47、在栅极和驱动输出之间串联了二极管（图35中的D1D6），当关闭MOSFET时，栅极电容放电时栅极电阻被二极管短路，所以电流不经过栅极电阻，这缩短了栅极寄生电容的放电时间，提高了MOSFET的关断速度。18图35三相桥式逆变电路332电压电流检测电路电压检测采用电阻电源串联分压再送入C8051F330单片机的ADC进行采样实现，电路如图36所示。图36电压检测电路电流检测电路如图36所示，电阻R7为01的采样电阻，电机电流通过采样电阻转化为电压再送入C8051F330单片机的ADC进行采样实现电流检测，J2为采样端口。34反电势滤波电路反电势过零点检测电路采用无源RC滤波电路，如图37所示。设输
48、入电压为VA，输出电压为AV，F为反电势频率，为相位延迟，则19221212112121AAHVRRFVRRJFRRCRRJF，（31）121122ARCTANRRCRR（32）121212HRRFRRC（33）由于C8051F330内置ADC的内部基准电压为24V而端电压峰值为12V，当电机转速达到5000R/MIN时端电压波形频率5000650060FHZ，所以取R1阻值为51K，R2阻值为10K，取端电压深度滤波的截止频率在600HZ左右，此时截止频率121216002HRRFRRC，13173CNF，所以取133CNF。R1、R2、C1的取值满足ADC采样的要求。图37反电势滤波电路3
49、5单片机最小系统基于C8051F330的单片机最小系统是本次设计数据处理和控制的核心，它需要进行PWM调节、电压电流检测和位置信号的检测。I/O口说明P01、P02、P03为PWM波输出端，控制逆变器的上桥MOSFETP04为电流检测端P05为电压检测端P10、P11、P12为位置信号检测端P14、P15、P16为逻辑电平输出，控制逆变器的下桥MOSFET20图38单片机最小系统214系统软件设计41系统软件总体结构无位置传感器无刷直流电机控制系统软件设计主要包括初始化程序、电机启动程序、端电压检测及换相程序、电压电流保护程序和运行控制程序。其中有2个中断ADC中断和定时器T0中断。ADC中断进行端电压检测并且当检测到反电势过零点时起动T0，换相在定时器T0中断中完成。另外定时器T1用来计两次换相的间隔时间。图41为系统软件总体流程图。系统初始化开始起动程序运行控制程序电压电流检测启动完成NY停止电机NY电机停止电机工作正常YNY图41系统软件总体流程图42初始化程序设计系统初始化主要是设置好各个寄存器使各个功能模块工作正常。由于电机转速达到5000R/MIN时换
