中心議題：

• 無傳感器無刷直流電機的控製方式
• 控製係統軟、硬件設計

解決方案：

• PWM波輸出控製
• 反電動勢換相信號檢測

在一些應用場合要求使用的電機體積小、效率高
、轉zhuan速su高gao，微wei型xing永yong磁ci無wu刷shua直zhi流liu電dian機ji能neng夠gou較jiao好hao地di滿man足zu要yao求qiu。因yin為wei電dian機ji體ti積ji較jiao小xiao，安an裝zhuang位wei置zhi傳chuan感gan器qi困kun難nan，所suo以yi微wei型xing無wu刷shua直zhi流liu電dian機ji的de無wu位wei置zhi傳chuan感gan器qi控kong製zhi就jiu顯xian得de尤you為wei必bi要yao。

無刷直流電機的無位置傳感器控製的難點在於轉子位置信號的檢測，目前國內外研究人員提出了諸多方法
，其中反電動勢法最為簡單

、可靠，應用範圍最廣泛。普遍采用的控製方案為基於DSP的控製和基於專用集成電路的控製等，但是其價格高
、體積大
，不利於用在微型電機控製器中。本文介紹基於C8051F330單片機、檢測反電動勢法的無位置傳感器無刷直流電機的控製器
，係統結構簡單，體積超小型，價格低廉
，運行性能良好。

無傳感器無刷直流電機的控製方式

實現無刷直流電機電子換相及PWM控製的逆變器主電路如圖1a所示。采用兩兩通電方式，即每一個瞬間有兩個功率管導通
，每隔60°電角度換相1次，每一功率管導通120°電角度。功率管的導通順序是：V6V1→V1V2→V2V3→V3V4→V4V5→V5V6。

在方波無刷直流電機中


，定子繞組的反電動勢波形(即氣隙磁通波形)為正負對稱的梯形波
，如圖1b所示。從圖中可以看出當檢測到不通電相繞組的反電動勢為零時，以此作為起點滯後30°電角度
，即為最佳換相時刻。因此隻要測出各相反電動勢的過零點就可獲得三相電機所需的6個關鍵位置信號
，進而實現定子繞組的正確換流。電動機繞組中性點0一般未引出，直接測定繞組反電動勢相值比較困難，而便於測量的是三相定子繞組對地的端電壓。端電壓過中點(直流電源電壓的一半)與反電動勢過零點在時間上是重合的
，所以尋找反電動勢的過零點後30°電角度即相當於尋找端電壓的過中點後30°電角度。


控製係統設計

2．1硬件電路設計

係統的硬件電路圖如圖2所示
，以C8051F330單片機
、逆變橋電路、端電壓檢測電路
、穩壓電路等組成。本電路設計得非常簡潔
，各種元器件都使用小型的貼片封裝
，非常適合對成本和體積都比較敏感的微型電機控製器。

逆變橋電路中上橋臂為P型MOSFET器件FDS6679，下橋臂為N型MOSFET器件M4410B，均為低電壓驅動器件。FDS6679通過一個NPN型三極管驅動
，而M4410B由C8051F330的P1口直接驅動(P1口設置成推挽輸出)。PWM控製模式定為：PWM僅應用於半橋的下端MOSFET
，同時換流的上端(對角線)MOSFET僅起換相通斷控製。

電源電壓和電流的檢測：當UV相通電，在PWM開通期間檢測U相的端電壓Uu
，由於MOSFET的通態電壓很小(小於0．1V)
，端電壓uu可以近似看作是電源電壓UD
；在下橋臂源極和電源地之間串接采樣電阻，通過P0．4口檢測電阻電壓得到電流值，輸入信號先經過內部可編程增益放大器放大，再作A／D轉換。
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2．2軟件設計

軟件主要有初始化程序、電機起動程序
、端電壓檢測及換相程序、電壓和電流保護程序、運行控製程序等組成。共有四個中斷：PWM中斷、ADC中斷
、T1中斷、T2中斷。其中T2中斷實現電機起動程序
，PWM中斷在PWM開通期間啟動ADC中斷，在ADC中斷中進行端電壓檢測

，當檢測到反電動勢過零點時啟動T1中斷完成換相。主程序如圖3所示。


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2．2．1G8051F330的初始化

由於C8051F330單片機與8051單片機在內部資源上有差異
，所以它們的初始化有所不同。主要有兩點不同：對外引腳的交叉開關的配置
；對係統時鍾源的配置。考慮到用戶自己寫初始化程序很繁瑣，SiliconLabs公司推出了C8051F單片機初始化代碼生成程序軟件Config2Version1．30。用戶隻要在圖形化的界麵上用鼠標點擊選擇，就可以方便地生成C8051F330的初始化程序。大大加快了用戶的開發速度。

2．2．2PWM波輸出控製

C8051F330的可編程計數器陣列(PCA)由一個專用的16位計數器／定時器和3個16位捕捉／比較模塊組成
，恰好可以實現3路8位PWM或16位PWM功能。PCA的16位計數器／定時器的高字節PCAOH和低字節PCAOL決定PWM波的頻率
，通過改變捕捉／比較模塊的高字節PCAOCPHn和低字節PCAOCPLn就可以改變PWM波的占空比。

2．2．3端電壓檢測及換相

反電動勢換相信號檢測：在PWM開通期間啟動ADC，檢測處於不通電相繞組的端電壓，其值等於電源電壓的一半時為反電動勢過零點信號。要考慮：a．ADC檢測時刻應與PWM同步，並選擇PWM開通時間的中點為佳，以避開開關狀態的瞬態電壓噪聲。b．在軟件中應舍棄換相後的最初幾個反電動勢采樣點
，因為換相後繞組電流不會立即為零，要經過一個續流過程才下降為零。程序如圖4所示。使用定時器0記錄連續監測到兩個端電壓過零點的時間，除以2即為30°電角度的時間，把此時間裝載到定時器1中，定時器1經過30°電角度時間觸發中斷，調用換相子程序進行電子換相。

實驗結果及結論

實驗樣機采用長沙方圓模型廠生產的無傳感器無刷直流電機，型號為1208436，額定參數為，轉速：4100r／V，2對極
，最大電流：4A，內阻：0．59Ω
，空載電流：0．3A。實驗平台如圖5所示。

當電源電壓為10V、PWM占空比為20％、空載時，端電壓波形圖如圖6所示。從圖中看出，換相時間為0．6ms左右，端電壓波形是較好的梯形波。根據電機額定參數計算換相時間為0．609ms(60°電角度)，可見換相時間比較準確。通過實驗證明，采用上述控製技術，電機係統起動平穩，無振動和失步現象，同時係統具有結構簡單、小型化、低成本、運行可靠
、調速性能良好的優點。