骆建立
广东美的环境电器制造有限公司，广东省中山市东凤镇和穗工业区美的环境电器工业园（二期）
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摘要：高压直流无刷电机因其结构简单、低噪声、免维护以及可由市电直接整流驱动等优点在工业设备及民用电器中得到广泛应用。但是高压直流无刷电机类型繁多，电机参数、性能各异，需要根据应用定制驱动器。为此，本文以单片机控制和IPM模块为核心，设计一种针对于家用风扇的小功率的高压直流电机驱动控制系统，此控制系统相对于低压直流无刷电机有电源效率高，成本低等优点。本文简单介绍了高压直流无刷电机的工作原理、力矩特性，给出了驱动器的组成框图，详细设计了MCU控制、IPM模块、霍尔信号检测模块以及保护模块等电路，编写了霍尔信号检测、SVPWM控制、PID控制、电流保护等控制程序，实现了高压直流无刷电机的各种控制功能。 关键词：高压直流无刷电机，MCU，IPM模块，PID控制，SVPWM，霍尔位置信号。
引言
本文提出了一种基于中颖8位单片机GS16LF608的控制方案，借助于该芯片片内集成的针对电机控制的功能模块，只需很少的外围电路即可搭建控制系统，实现基于有位置传感器高压直流无刷电机的控制，在保证稳定性和可靠性的基础上大大降低了系统成本。而且该芯片与传统8051完全兼容，易于上手，从而也降低了研发成本。
1.高压直流无刷电机概述
水管快速接头1.1基本结构及功能指标
高压直流无刷电机是直流有刷电机和交流电机的结合体，它用安装了永久磁钢的转子代替直流有刷电机的定子磁极，采用多相的定子取代电枢，并用由固态逆变器和位置检测器组成的电子换相器代替直流有刷电机的电刷和机械换相器，简化了电机结构，降低了机械噪声和EMI，提高了可靠性。高压直流无刷电机分为内转子和外转子两种形式，均由定子、转子、霍尔板、端盖等构成，三相绕组安装在定子的凹槽中，当给绕组存在电流时，在其周围将产生定子磁场。定子磁场通过极靴、磁轭、气隙、转子磁钢构成闭合磁场回路。端盖及外壳用于安装定子并固定转子轴位置，使转子与定子磁轭始终保持着一定距离，防止转子被吸附在定子上。
本系统设计的高压直流电机的主要功能及指标说明如下：
输入电压：220VAC/50Hz
最大功率：30W
磁铁极数：8极
菠萝去皮机
控制功能：启动、停止、调速
速度给定方式：PWM占空比给定
保护功能（IPM模块内置）：过压保护、欠压保护、过载保护、过流保护、过热保护。
1.2 工作原理简介
高压直流无刷电机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电机的转子上
粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件或
IPM模块和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停
止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接
局域表面等离子体共振
受速
度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。图1-1为高压直流无刷电机的驱动
电路的基本模型，也是核心部分，通过开关管Q0~Q5来控制电机三相绕组的通电状态，开关管可以为IGBT
或者功率MOS管。
图1-1 高压直流无刷电机驱动电路的基本模型
2.硬件设计
2.1高压直流电机驱动的组成
根据高压直流电机的控制原理，要实现控制系统至少需要以下几个功能模块：
带死区控制的PWM模块。至少三个通道，控制三相逆变桥，实现核心控制功能。考虑安全性，最好还具有故障检测功能，与过流检测功能配合，在电流过大时及时关断外部MOS管。
ADC模块。至少4个通道，分别对三相端电压和供电电压进行采样。
电流采样模块。用于控制电流。
外部中断模块。至少要用到3个外部中断口，以实现检测霍尔的位置信号。
由此，我们得到本系统驱动器可以由电源模块、MCU控制、IPM模块、霍尔位置信号检测模块、PWM 信号控制、电流采样检测模块等，如图2-1所示为高压直流无刷电机控制的结构框图。下面主要介绍MCU 控制，IPM模块，电流采样检测模块，霍尔位置信号检测模块等四个部分的硬件配置。
图2-1高压直流无刷电机结构框图
2.2 MCU控制
根据系统的需求，我们选用中颖的8位单片机GS16LF608做为主控芯片。该芯片采用优化的单机器周期8051核，内置16K FLASH存储器，兼容传统8051所有硬件资源，采用JTAG仿真方式，内置27M振荡器，同时扩展了如下功能：
双DPTR指针. 16位 x 8乘法器和16位/8除法器.
3通道12位带死区控制PWM,6路输出，输出极性可设为中心或边沿对齐模式；同时集成故障检测功能，可瞬时关闭PWM输出；
7通道10位ADC模块，最小采样时间低于1us；
内置放大器和比较器，可用作电流放大采样和过流保护；
提供硬件抗干扰措施；
提供Flash自编程功能，可以模拟用做EEROM，方便存储参数；
从该芯片的配置可见其非常适合本系统的需求，利用它可以大大简化系统硬件的设计。其硬件主架构如图2-2所示，从图中可以看出该系统只需添加少量外围电路，大部分功能都由GS16LF608片内集成的模块
图2-2 MCU控制硬件主架构
完成，外围电路的简化一方面可以提高系统可靠性，另一方面也降低了成本。
2.3 IPM模块
由于分立元件的逆变电路存在电路复杂、体积大、调试复杂、抗干扰能力差等问题，很多功率半导体公司将三相逆变所需的MOSFET/IGBT及其驱动电路、散热部件、保护电路集成在一起，构成了IPM（智能功率模块），缩小了逆变电路的整体体积，降低了整体成本，提高了电路的可靠性。IPM主要实现电子换相和高速，它由三相逆变电路及相关驱动电路、保护电路等构成。本控制系统采用士兰微电子的三相全桥智能功能模块SM5753DLS，其主要特点：
内置6 个快恢复功率MOSFET；
内置高压栅极驱动电路（HVIC）；
内置欠压保护；
完全兼容3.3V和5V的MCU的接口，高电平有效；
3个独立的负直流端用于变频器电流检测的应用；
低EMI 优化设计；
绝缘级别：1500Vrms/min。
图2-3 IPM模块电路
高压直流无刷电机驱动器中的IPM模块电路如图2-3所示，IC3士兰微电子公司的IPM模块，电源P 端与交流220V全桥整流后的310VDC连接，U、V、W直接与电机的对应绕组相连，R28~R31、D4~D6为电流采样电路。D7、D8、D9、C12、C13、C14构成了典型的自举电路，为了保证在一个周期内自举电容电压
基本不变，二极管选用快恢复肖特基二极管，自举电容选用容值大、漏电流小的钽电容。在该电路中，电源系统提供+15V 驱动电源经电容C15滤波后为模块供电，并为自举电容充电。R19、R20、R21是电阻阻值很小的阻尼电阻，防止较大du/dt 产生的EMI 对系统可靠性和性能造成影响。R22~R27为高频阻尼电阻，防止因导线电感和引脚间耦合电容产生的谐振。
2.4 电流采样检测模块
为检测电流，在下桥MOS 管的S 极与地之间接了三个大功率小阻值的电阻，如图2-5中所示。之所以用小阻值，一方面是防止将下桥MOS 管的S 极电位抬得过高，使PWM 输出高时MOS 管也无法导通；另一方面也是为了减小在该电阻上的功耗。若采样电阻功率为P ，系统最大允许电流为max I ，则阻值可根据2max
I
P R ≤
计算。由于电流采样电阻上的压降比较小，需要经过放大后再进行采样。GS16LF608片内集成
了放大器，将电流采样电路的输出连接到片内OP 的同相输入端OPP ，如图2-2所示，只需在反相输入端OPN 和输出端OPOUT 之间添加简单的反馈电路，与片内OP 组成同相比例运算电路即可实现放大。
反馈电路用电个电阻即可实现，具体根据要放大的倍数来决定。片内OP 的输出可通过设置ADCON 寄存器，直接作为片内ADC 输入，方便地实现电流采样。 2.5 霍尔位置信号检测模块
高压直流无刷电机的正常运行要求驱动器根据转子的位置及时地换相，因此，转子的位置检测至关重要。本系统的转子位置检测通过直流无刷电机内部安装的霍尔传感器来实现，其检测的原理是：直流无刷电机内部按60°电角度安装了三个霍尔传感器。在一个电周期内，霍尔输出将出现6次状态变化，这种变化可以用来换相或者转速测量等。霍尔传感器安装在电机内部，受电机干扰比较严重，因此霍尔输出信号上会出现很多毛刺和高频干扰，其中一些干扰比较大，很可能会影响控制器的判决，因此必须对霍尔输出信号进行滤波整形。高压直流无刷电机驱动器中使用的霍尔检测电路如图2-4所示。一般的霍尔传感器都是开漏输出，为了保证传感器输出确定信号，必须外加上拉电阻R35～R37。R32~R37，C17~C19 构成了RC 滤波器，其截止频率很高，用来消除霍尔信号上的高频脉冲干扰。
广谱抗菌素图2-4霍尔检测电路
3.软件设计
3.1主程序流程图
由于GS16LF608的硬件已经完成了大量的任务，软件的部分相对简化很多。主程序流程如下图3-1所示。为便于理解，该流程图经过了尽量的简化，只保留最关键的步骤。下面主要介绍过流保护、霍尔位置信号的检测、SVPWM 控制及PID 控制。 3.2过流保护
过流保护可由硬件实现。GS16LF608内置比较器，且PWM 模块的故障探测源可以设置为从比较器输入。将电流采样电路的输出与设定值相比较，若大于设定值，则PWM 的故障检测模块检测到比较器输出高后自动关闭PWM 输出，保证系统安全。
为了使过流保护更灵活，可用软件方式来实现。将OPOUT 输出作为ADC 输入通道，若采样值大于设定值则发生ADC 中断，在ADC 中断中减小PWM 占空比。重复以上步骤直至电流降到限制值以下。
图3-1主程序流程图
实际应用中可以将软件和硬件实现方法相结合，硬件实现中的限流值设的大一些，双管齐下，既保证安全又具有灵活性。
3.3 霍尔位置信号检测
3.3.1换相
由于两两导通方式每次仅需控制两相绕组，因此开关管功耗较低，其换相表如表3.1所示。
表3-1两两导通方式换相表
从表3.1可以看出，正转的反转之间力矩方向相差180°，电机沿同一方向旋转且力矩相差180°时，其霍尔状态刚好逻辑互反。因此要想将电机反向，在程序软件中可以直接将霍尔信号取反后再进行换相即可。
3.3.2测速
托玛琳活水杯
在MCU控制器程序中，当检测到霍尔信号发生变化时，表明电机已经旋转了60°电角度，因此可以通过记录两次霍尔信号变化之间的时间差，计算出电机当前速度。在MCU控制器程序中使用一个16位计数器对霍尔信号的周期进行测量。由于机械安装、硬件和软件延时等影响，相同速度下两次测量结果总会有一些差异，因此需要对其进行平均值滤波或者其它低通滤波算法才能保证速度测量的精度。
3.3.3转向判定和霍尔缺相保护
由表3.1可以看出，当霍尔信号顺序为4—6—2—3一l一5时，电机正向旋转，当霍尔信号顺序为5一l一3—2—6—4时，电机反向旋转。因此可以通过霍尔信号出现的顺序获取当前电机旋转方向。如果霍尔信号中出现状态0或状态7时，表明霍尔出现了故障，必须对驱动器进行保护，否则将出现换相错误，导致电机故障甚至损坏驱动器。
3.4 SVPWM控制
高压直流无刷电机驱动采用PWM方式对电机进行电流、速度等参数的调节，GS16LF608内部包含一个专用的电机控制PWM模块，它包含了互补输出、死区发生器、手动改写控制、特殊事件触发等功能，极大地简化了PWM的处理。
3.4.1 SVPWM控制技术家具附件
SVPWM（空间电压矢量PWM）是由IPM模块组成的特定开关模式产生的脉宽调制波，能够使输出电流波
形尽可能接近于理想的正弦波形。SVPWM与传统的正弦PWM不同，它是从三相输出电压的整体效果出发，着
