驅動單相BLDC電機如何使用低成本單片機驅動單繞組單相無刷直流電機

對于低功耗電機應用，成本比復雜性更為重要，并且對轉矩的要求較低，因此單相無刷直流(BLDC)電機是三相電機不錯的替代方案。

此類電機結構簡單，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動器開關即可控制電機繞組并為其供電。因此，可以輕松地在電機和控制用電子元器件之間做出權衡。為保持成本效益，需要使用低成本的電機驅動器。本文介紹的驅動器電路會利用兩個反饋回路。一個是內層回路，負責控制換向;另一個是外層回路，負責控制轉速。電機轉速以外部模擬電壓作為參考，而且會檢測出過流和過溫故障。

圖1顯示了基于Microchip的8位單片機PIC16F1613的單相驅動器。選擇這款單片機是因為其引腳數(shù)較少，并且片上外設可以控制驅動器開關、測量電機轉速、預測轉子位置以及實現(xiàn)故障檢測。本應用使用以下外設：互補波形發(fā)生器(CWG)、信號測量定時器(SMT)、模數(shù)轉換器(ADC)、數(shù)模轉換器(DAC)、捕捉/比較/脈寬調制(CCP)、固定參考電壓(FVR)、定時器、比較器和溫度指示器。上述外設通過固件在內部進行連接，因此可減少所需的外部引腳數(shù)。

圖1：單相BLDC驅動器框圖

全橋電路為電機繞組供電，且由CWG輸出進行控制。霍爾傳感器用于確定轉子位置。流過電機繞組的電流通過檢測電阻Rshunt轉換為電壓，從而實現(xiàn)過流保護。轉速以外部模擬輸入作為參考。圖2顯示了電機驅動器控制框圖;對于本應用，電機額定電壓為5V，額定轉速為2400轉/分鐘。電機驅動器電源電壓為9V。參考轉速可以是任一模擬輸入。單片機的ADC模塊具有10位分辨率以及最多8個通道，因此適用于各類模擬輸入。ADC模塊用于提供參考轉速和初始PWM占空比，從而根據(jù)參考轉速源對電機轉速進行初始化。

圖2：電機驅動器控制框圖

初始占空比可根據(jù)比例積分(PI)控制器的結果以及CCP中加載的新占空比值進行增減，相應的PWM輸出用作CWG的初始源以控制全橋驅動器下橋臂開關的調制，從而控制電機轉速。

內層回路

內層反饋回路負責控制換向。CWG輸出用于控制定子繞組的激勵，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比較器與FVR進行比較)。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，從而使電機實現(xiàn)順時針或逆時針旋轉。CWG輸出將饋入全橋電路的開關的輸入。要生成一個電氣周期，必須執(zhí)行一次正反向組合。電機機械旋轉一周需要兩個電氣周期，因此必須執(zhí)行兩次正反向組合電機才能完成一次順時針旋轉。

全橋電路

圖3所示的全橋電路主要由兩個P溝道MOSFET(用作上橋臂開關)和兩個N溝道MOSFET(用作下橋臂開關)組成。P溝道晶體管的主要優(yōu)勢在于可以在上橋臂開關位置輕松實現(xiàn)柵極驅動，從而降低上橋臂柵極驅動電路的成本。雖然上橋臂開關和下橋臂開關可同時開關(跨導)，但應避免這種開關操作，否則將產生直通電流，導致驅動器元件損壞。為避免這種操作，可使用CWG的計數(shù)器寄存器來實現(xiàn)死區(qū)延時。這樣可避免輸出信號發(fā)生重疊，繼而防止上橋臂和下橋臂同時導通。理想情況下，N溝道MOSFET和P溝道MOSFET應具有相同的導通電阻(RDSon)和總柵極電荷QG，以便獲得最佳的開關特性。因此，最好選擇一對互補的MOSFET來匹配上述參數(shù)。但實際上，由于互補MOSFET的結構不同，無法達到此要求;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，務必先確定RDSon和QG二者中哪個對開關性能的影響更大，然后再相應地進行選擇。

故障檢測

若轉矩負載超出允許的電機轉矩負載最大值，可能會導致電機停轉，從而使全部電流流過繞組。因此，為保護電機，必須實現(xiàn)過流和停轉故障檢測。要實現(xiàn)過流檢測，可在驅動電路中添加Rshunt，該電阻會根據(jù)流過電機繞組的電流提供相應的電壓。電阻兩端的壓降隨電機電流線性變化。該電壓將饋入比較器的反相輸入并與參考電壓進行比較，參考電壓基于Rshunt電阻與允許的電機停轉電流最大值之積。參考電壓可由FVR提供，并可通過DAC進一步縮小。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，進而降低Rshunt的功耗。如果Rshunt電壓超出參考電壓，比較器輸出會觸發(fā)CWG的自動關斷功能，并且只要故障存在，CWG的輸出便會保持無效狀態(tài)。

過溫故障可通過器件的片上溫度指示器進行檢測，溫度指示器的測量范圍為-40?C至+85?C。指示器的內部電路會隨著溫度的不同而產生不同的電壓，然后通過ADC將此電壓轉換為數(shù)字量。為提高溫度指示器的精確度，可實施單點校準。