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驱动单相BLDC电机如何使用低成本单片机

驱动单绕组单相无刷直流电机-设计应用

对于低功耗电机应用，成本比复杂性更为重要，并且对转矩的要求较

低，因此单相无刷直流(BLDC)电机是三相电机不错的替代方案。此

类电机结构简单，易于制造，因此成本较低。此外，它只需要使用单

位置传感器和一些驱动器开关即可控制电机绕组并为其供电。因此，

可以轻松地在电机和控制用电子元器件之间做出权衡。为保持成本效

益，需要使用低成本的电机驱动器。本文介绍的驱动器电路会利用两

个反馈回路。一个是内层回路，负责控制换向;另一个是外层回路，

负责控制转速。电机转速以外部模拟电压作为参考，而且会检测出过

流和过温故障。图1显示了基于Microchip的8位单片机PIC16F1613

的单相驱动器。选择这款单片机是因为其引脚数较少，并且片上外设

可以控制驱动器开关、测量电机转速、预测转子位置以及实现故障检

测。本应用使用以下外设：互补波形发生器(CWG)、信号测量定时器

(SMT)、模数转换器(ADC)、数模转换器(DAC)、捕捉/比较/脉宽调制(CCP)、

固定参考电压(FVR)、定时器、比较器和温度指示器。上述外设通过

固件在内部进行连接，因此可减少所需的外部引脚数。

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图1：单相BLDC驱动器框图

全桥电路为电机绕组供电，且由CWG输出进行控制。霍尔传感

器用于确定转子位置。流过电机绕组的电流通过检测电阻Rshunt转

换为电压，从而实现过流保护。转速以外部模拟输入作为参考。图2

显示了电机驱动器控制框图;对于本应用，电机额定电压为5V，额定

转速为2400转/分钟。电机驱动器电源电压为9V。参考转速可以是

任一模拟输入。单片机的ADC模块具有10位分辨率以及多8个通道，

因此适用于各类模拟输入。ADC模块用于提供参考转速和初始PWM

占空比，从而根据参考转速源对电机转速进行初始化。

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图2：电机驱动器控制框图

初始占空比可根据比例积分(PI)控制器的结果以及CCP中加载

的新占空比值进行增减，相应的PWM输出用作CWG的初始源以控

制全桥驱动器下桥臂开关的调制，从而控制电机转速。内层回路内

层反馈回路负责控制换向。CWG输出用于控制定子绕组的激励，它

取决于霍尔传感器输出的状态(霍尔传感器输出将通过比较器与FVR

进行比较)。将使能比较器迟滞，以屏蔽传感器输出中的噪声。比较

器输出可在正向全桥模式与反向全桥模式之间切换，从而使电机实现

顺时针或逆时针旋转。CWG输出将馈入全桥电路的开关的输入。要

生成一个电气周期，必须执行正反向组合。电机机械旋转一周需要两

个电气周期，因此必须执行两次正反向组合电机才能完成顺时针旋转。

全桥电路图3所示的全桥电路主要由两个P沟道MOSFET(用作上桥

臂开关)和两个N沟道MOSFET(用作下桥臂开关)组成。P沟道晶体管

的主要优势在于可以在上桥臂开关位置轻松实现栅极驱动，从而降低

上桥臂栅极驱动电路的成本。虽然上桥臂开关和下桥臂开关可同时开

关(跨导)，但应避免这种开关操作，否则将产生直通电流，导致驱动

器元件损坏。为避免这种操作，可使用CWG的计数器寄存器来实现

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死区延时。这样可避免输出信号发生重叠，继而防止上桥臂和下桥臂

同时导通。理想情况下，N沟道MOSFET和P沟道MOSFET应具有相

同的导通电阻(RDSon)和总栅极电荷QG，以便获得的开关特性。因此，

选择一对互补的MOSFET来匹配上述参数。但实际上，由于互补

MOSFET的结构不同，无法达到此要求;P沟道器件的芯片尺寸必须是

N沟道器件的2到3倍才能匹配RDSon性能。但是，芯片尺寸越大，

QG的影响也越大。因此，选择MOSFET时，务必先确定RDSon和QG

二者中哪个对开关性能的影响更大，然后再相应地进行选择。

故障检测若转矩负载超出允许的电机转矩负载值，可能会导致

电机停转，从而使全部电流流过绕组。因此，为保护电机，必须实现

过流和停转故障检测。要实现过流检测，可在驱动电路中添加Rshunt，