基於中穎SH79F168單片機的航模無刷電調方案

2021-01-08 電子產品世界

摘要：本文提出了一種採用中穎8位單片機SH79F168作為主控晶片的航模無刷電調方案，用AD採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。該晶片內部集成了PWM、ADC、增強外部中斷等有針對性的功能模塊，使軟硬體設計都大為簡化。經實際項目應用，該系統運行穩定可靠，且與市面上的其它控制方案相比具有成本優勢。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/173182.htm

1 概述

無位置傳感器的無刷直流電機（Brushless Direct Current Motor, BLDCM）由於其快速、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，其控制算法要複雜得多。加上航模設計中對重量和體積的要求非常嚴格，因此要求硬體電路儘可能簡單，更增加了軟體的難度。

本文提出了一種基於中穎8位單片機SH79F168的控制方案，藉助於該晶片片內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，實現基於反電動勢法的無位置傳感器BLDC控制，在保證穩定性和可靠性的基礎上大大降低了系統成本。而且該晶片與傳統8051完全兼容，易於上手，從而也降低了研發成本。

2 系統硬體設計

本方案選用中穎的8位單片機SH79F168做為主控晶片。該晶片採用優化的單機器周期8051核，內置16K FLASH存儲器，兼容傳統8051所有硬體資源，採用JTAG仿真方式，內置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；

內置放大器和比較器,可用作電流放大採樣和過流保護；

增強的外部中斷，提供4種觸發方式；

提供硬體抗幹擾措施；

Flash自編程功能,方便存儲參數；

主系統硬體架構如圖1所示，從圖中可以看出該系統大部分功能都由片內集成的模塊完成。外圍電路的簡化一方面可以提高系統可靠性，另一方面也降低了成本。

圖 1 系統硬體架構

三相逆變橋採用上橋PMOS用三極體驅動，下橋NMOS用PWM埠直接驅動的方式，如圖2所示。

圖 2 三相逆變橋

SH79F169片內集成了三通道6路PWM埠，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，直接驅動三相逆變橋的下橋；PWM0~PWM2配置為IO埠，經過電晶體反相電路後驅動三相逆變橋的上橋。

外部中斷輸入INT4x配置為雙沿觸發，即輸入信號的上升沿和下降沿都能觸發中斷，可用於捕捉調速給定信號。

3 系統軟體設計

由於SH79F168的硬體已經完成了大量的任務，軟體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

為便於理解，該流程圖經過了儘量的簡化，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係[1]：

SH79F168提供PWM周期中斷和佔空比中斷。當周期中斷發生時不斷檢測斷開相的端電壓，並與 比較，直到檢測到過零點或者PWM輸出低（根據PWM佔空比中斷標誌位判斷），即可實現在PWM輸出高期間的反電動勢過零點檢測。每次換相後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，實現實時檢測。

需要注意是剛換相後的一段時間內，由於MOS管的續流，斷開相繞組的電壓會出現尖峰。為了準確檢測反電動勢，可以選擇在剛換相的一到兩個PWM周期內不進行採樣，避開尖峰電壓。

3.2 起動算法

BLDC電機的反電動勢和轉速正相關，在起動和低速運行階段，電機產生的反電動勢為零或很小，因此往往需要經過一段強制加速，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並等待其發生過零。若檢測到過零點則換相，若經過較長一段時間還沒有檢測到過零則強制換相，重複這個過程直至電機穩定運行。這種起動方式，不但實現簡單，而且穩定可靠。在這種方式不能適用時，再根據應用場合考慮選用特定的起動方式，可參考文獻[2]，限於篇幅本文不詳述。

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，然後除以2作為檢測到過零點後30°延時的定時值。這就需要用到兩個定時器/計數器，一個用作計數器對每兩次換相的間隔進行計數，另一個用作定時器實現30°延時。本方案中為了節省timer資源，用一個timer同時完成兩項功能。

在每次換相後，檢測到該通電狀態下的過零點之間，timer0用作計數器；在檢測到過零點之後，之前的計數值即為30°電角度，將其作為定時值裝入timer0，timer0用作定時器開始定時。定時時間到後，在timer0中斷中進行換相。然後timer0又用作計數器，如此循環。正常情況下，由於電機轉速很高，每次換相到檢測到過零點之間的時間很短，timer0在計數模式下不會發生中斷。若timer0在計數模式時發生中斷，必然是計數溢出，說明電機經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的標誌。根據實際情況，可對timer0在計數模式下連續發生中斷的次數進行計數，超過一定值即認為發生堵轉。這樣，timer0還實現了堵轉保護的功能。

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