驅(qū)動(dòng)單相BLDC電機(jī)如何使用低成本單片機(jī)驅(qū)動(dòng)單繞組單相無(wú)刷直流電機(jī)

對(duì)于低功耗電機(jī)應(yīng)用，成本比復(fù)雜性更為重要，并且對(duì)轉(zhuǎn)矩的要求較低，因此單相無(wú)刷直流(BLDC)電機(jī)是三相電機(jī)不錯(cuò)的替代方案。

此類(lèi)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，因此成本較低。此外，它只需要使用單位置傳感器和一些驅(qū)動(dòng)器開(kāi)關(guān)即可控制電機(jī)繞組并為其供電。因此，可以輕松地在電機(jī)和控制用電子元器件之間做出權(quán)衡。為保持成本效益，需要使用低成本的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。本文介紹的驅(qū)動(dòng)器電路會(huì)利用兩個(gè)反饋回路。一個(gè)是內(nèi)層回路，負(fù)責(zé)控制換向;另一個(gè)是外層回路，負(fù)責(zé)控制轉(zhuǎn)速。電機(jī)轉(zhuǎn)速以外部模擬電壓作為參考，而且會(huì)檢測(cè)出過(guò)流和過(guò)溫故障。

圖1顯示了基于Microchip的8位單片機(jī)PIC16F1613的單相驅(qū)動(dòng)器。選擇這款單片機(jī)是因?yàn)槠湟_數(shù)較少，并且片上外設(shè)可以控制驅(qū)動(dòng)器開(kāi)關(guān)、測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速、預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)子位置以及實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)。本應(yīng)用使用以下外設(shè)：互補(bǔ)波形發(fā)生器(CWG)、信號(hào)測(cè)量定時(shí)器(SMT)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)、捕捉/比較/脈寬調(diào)制(CCP)、固定參考電壓(FVR)、定時(shí)器、比較器和溫度指示器。上述外設(shè)通過(guò)固件在內(nèi)部進(jìn)行連接，因此可減少所需的外部引腳數(shù)。

圖1：?jiǎn)蜗?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/BLDC">BLDC驅(qū)動(dòng)器框圖

全橋電路為電機(jī)繞組供電，且由CWG輸出進(jìn)行控制?；魻?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/傳感器">傳感器用于確定轉(zhuǎn)子位置。流過(guò)電機(jī)繞組的電流通過(guò)檢測(cè)電阻Rshunt轉(zhuǎn)換為電壓，從而實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。轉(zhuǎn)速以外部模擬輸入作為參考。圖2顯示了電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制框圖;對(duì)于本應(yīng)用，電機(jī)額定電壓為5V，額定轉(zhuǎn)速為2400轉(zhuǎn)/分鐘。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電源電壓為9V。參考轉(zhuǎn)速可以是任一模擬輸入。單片機(jī)的ADC模塊具有10位分辨率以及最多8個(gè)通道，因此適用于各類(lèi)模擬輸入。ADC模塊用于提供參考轉(zhuǎn)速和初始PWM占空比，從而根據(jù)參考轉(zhuǎn)速源對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行初始化。

圖2：電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制框圖

初始占空比可根據(jù)比例積分(PI)控制器的結(jié)果以及CCP中加載的新占空比值進(jìn)行增減，相應(yīng)的PWM輸出用作CWG的初始源以控制全橋驅(qū)動(dòng)器下橋臂開(kāi)關(guān)的調(diào)制，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

內(nèi)層回路

內(nèi)層反饋回路負(fù)責(zé)控制換向。CWG輸出用于控制定子繞組的激勵(lì)，它取決于霍爾傳感器輸出的狀態(tài)(霍爾傳感器輸出將通過(guò)比較器與FVR進(jìn)行比較)。將使能比較器遲滯，以屏蔽傳感器輸出中的噪聲。

比較器輸出可在正向全橋模式與反向全橋模式之間切換，從而使電機(jī)實(shí)現(xiàn)順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。CWG輸出將饋入全橋電路的開(kāi)關(guān)的輸入。要生成一個(gè)電氣周期，必須執(zhí)行一次正反向組合。電機(jī)機(jī)械旋轉(zhuǎn)一周需要兩個(gè)電氣周期，因此必須執(zhí)行兩次正反向組合電機(jī)才能完成一次順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

全橋電路

圖3所示的全橋電路主要由兩個(gè)P溝道MOSFET(用作上橋臂開(kāi)關(guān))和兩個(gè)N溝道MOSFET(用作下橋臂開(kāi)關(guān))組成。P溝道晶體管的主要優(yōu)勢(shì)在于可以在上橋臂開(kāi)關(guān)位置輕松實(shí)現(xiàn)柵極驅(qū)動(dòng)，從而降低上橋臂柵極驅(qū)動(dòng)電路的成本。雖然上橋臂開(kāi)關(guān)和下橋臂開(kāi)關(guān)可同時(shí)開(kāi)關(guān)(跨導(dǎo))，但應(yīng)避免這種開(kāi)關(guān)操作，否則將產(chǎn)生直通電流，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器元件損壞。為避免這種操作，可使用CWG的計(jì)數(shù)器寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)死區(qū)延時(shí)。這樣可避免輸出信號(hào)發(fā)生重疊，繼而防止上橋臂和下橋臂同時(shí)導(dǎo)通。理想情況下，N溝道MOSFET和P溝道MOSFET應(yīng)具有相同的導(dǎo)通電阻(RDSon)和總柵極電荷QG，以便獲得最佳的開(kāi)關(guān)特性。因此，最好選擇一對(duì)互補(bǔ)的MOSFET來(lái)匹配上述參數(shù)。但實(shí)際上，由于互補(bǔ)MOSFET的結(jié)構(gòu)不同，無(wú)法達(dá)到此要求;P溝道器件的芯片尺寸必須是N溝道器件的2到3倍才能匹配RDSon性能。但是，芯片尺寸越大，QG的影響也越大。因此，選擇MOSFET時(shí)，務(wù)必先確定RDSon和QG二者中哪個(gè)對(duì)開(kāi)關(guān)性能的影響更大，然后再相應(yīng)地進(jìn)行選擇。

故障檢測(cè)

若轉(zhuǎn)矩負(fù)載超出允許的電機(jī)轉(zhuǎn)矩負(fù)載最大值，可能會(huì)導(dǎo)致電機(jī)停轉(zhuǎn)，從而使全部電流流過(guò)繞組。因此，為保護(hù)電機(jī)，必須實(shí)現(xiàn)過(guò)流和停轉(zhuǎn)故障檢測(cè)。要實(shí)現(xiàn)過(guò)流檢測(cè)，可在驅(qū)動(dòng)電路中添加Rshunt，該電阻會(huì)根據(jù)流過(guò)電機(jī)繞組的電流提供相應(yīng)的電壓。電阻兩端的壓降隨電機(jī)電流線(xiàn)性變化。該電壓將饋入比較器的反相輸入并與參考電壓進(jìn)行比較，參考電壓基于Rshunt電阻與允許的電機(jī)停轉(zhuǎn)電流最大值之積。參考電壓可由FVR提供，并可通過(guò)DAC進(jìn)一步縮小。這樣便可以使用非常小的參考電壓，從而將電阻保持在較低水平，進(jìn)而降低Rshunt的功耗。如果Rshunt電壓超出參考電壓，比較器輸出會(huì)觸發(fā)CWG的自動(dòng)關(guān)斷功能，并且只要故障存在，CWG的輸出便會(huì)保持無(wú)效狀態(tài)。

過(guò)溫故障可通過(guò)器件的片上溫度指示器進(jìn)行檢測(cè)，溫度指示器的測(cè)量范圍為-40?C至+85?C。指示器的內(nèi)部電路會(huì)隨著溫度的不同而產(chǎn)生不同的電壓，然后通過(guò)ADC將此電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。為提高溫度指示器的精確度，可實(shí)施單點(diǎn)校準(zhǔn)。