1概述
無位置傳感的無刷直流馬達（Motor，BLDCM）因為其快速、可靠性高、體積小、重量輕等特性，在航模領域得到了廣泛的應用。并且與有刷馬達和有位置傳感的無刷直流馬達相比，其控制算法要復雜得多。加上航模設計中對重量和容積的要求十分嚴格，因而要求硬件電路盡可能簡單，更降低了軟件的難度。
本文提出了一種基于中穎8位單片機的控制方案，利用于該芯片片內集成的針對馬達控制的功能模塊，只需極少的外圍電路即可搭建控制系統，實現基于反電動勢法的無位置傳感BLDC控制，在保證穩定性和可靠性的基礎上大大增加了系統成本。并且該芯片與傳統8051完全兼容，便于上手，因而也增加了研制成本。
2系統硬件設計
本方案選用中穎的8位單片機做為主控芯片。該芯片采用優化的單機器周期8051核，外置16KFLASH儲存器反電動勢，兼容傳統8051所有硬件資源，采用JTAG仿真方法，外置16.6M振蕩器，同時擴充了如下功能：
·雙DPTR表針。16位x8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緣對齊模式；同時集成故障檢查功能，可瞬時關掉PWM輸出；
·7通道10位ADC模塊；
·內置放大器和比較器，可用作電壓放大取樣和過流保護；
·增強的外部中斷，提供4種觸發形式；
·提供硬件抗干擾舉措；
·Flash自編程功能，便捷儲存參數；
主系統硬件構架如圖1所示，從圖中可以看出該系統大部份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升系統可靠性，另一方面也增加了成本。
圖1系統硬件構架
單相逆變橋采用上橋PMOS用二極管驅動，下橋NMOS用PWM端口直接驅動的形式，如圖2所示。
圖2單相逆變橋
片內集成了三通道6路PWM端口，可分別獨立配置為PWM輸出或則IO輸出。將PWM01~PWM21配置為PWM輸出，直接驅動單相逆變橋的下橋；PWM0~PWM2配置為IO端口，經過晶體管反相電路后驅動單相逆變橋的上橋。
外部中斷輸入INT4x配置為雙沿觸發，即輸入訊號的上升沿和增長沿都能觸發中斷，可用于捕捉調速給定訊號。
3系統軟件設計
因為的硬件早已完成了大量的任務，軟件的部份相對簡化好多。主程序流程圖如圖3所示。
圖3主程序流程圖
為易于理解，該流程圖經過了盡量的簡化，只保留最關鍵的步驟。主流程中沒有列舉“檢測BEMF”和“換相”兩個關鍵的步驟，由于它們分別在PWM中斷和中斷中進行。
3.1反電動勢過零點檢查
在PWM輸出高期間，假定斷掉相定子端電流為，反電動勢為，供電電流為，則兩者之間有如下關系：
提供PWM周期中斷和鐵損中斷。當周期中斷發生時不斷檢查斷掉相的端電流，并與比較，直至檢查到過零點或則PWM輸出低（按照PWM信噪比中斷標志位判定），即可實現在PWM輸出高期間的反電動勢過零點監測。每次換相后就切換到另一個通道，檢查下一個斷掉相的端電流，這般循環，實現實時監測。
須要注意是剛換相后的一段時間內，因為MOS管的續流，斷掉相定子的電流會出現尖峰。為了確切測量反電動勢，可以選擇在剛換相的一到兩個PWM周期內不進行取樣，避免尖峰電流。
3.2起動算法
BLDC馬達的反電動勢和怠速正相關，在起動和低速運行階段反電動勢，馬達形成的反電動勢為零或很小，因而常常須要經過一段強制加速，使反電動勢上升到才能測量過零點的水平。
航模馬達通常在較低速時即會形成比較顯著的反電動勢，這個特征為起動提供了很大的便利。先給馬達任意兩相通電，使馬達獲得一個初速率，這時測量斷掉相電流并等待其發生過零。若測量到過零點則換相，若經過較長一段時間還沒有檢查到過零則強制換相，重復這個過程直到馬達穩定運行。這些起動方法，不但實現簡單，但是穩定可靠。
3.3換相估算
通常在用反電動勢法進行BLDC控制的時侯，須要對每兩次換相的間隔時間進行計時，得到60°電角度時間，之后乘以2作為測量到過零點后30°延時的定時值。這就須要用到兩個定時器/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。本方案中為了節約timer資源，用一個timer同時完成兩項功能。
在每次換相后，測量到該通電狀態下的過零點之間，用作計數器；在測量到過零點過后，之前的計數值即為30°電角度，將其作為定時值放入，用作定時器開始定時。定時時間到后，在中斷中進行換相。之后又用作計數器，這般循環。正常情況下，因為馬達怠速很高，每次換相到測量到過零點之間的時間很短，在計數模式下不會發生中斷。若在計數模式時發生中斷，必然是計數溢出，說明馬達經過較長的時間還沒有檢查到過零點，而這可以作為馬達堵轉的標志。依據實際情況，可對在計數模式下連續發生中斷的次數進行計數，超過一定值即覺得發生堵轉。這樣，還實現了堵轉保護的功能。
4系統測試及總結
圖4~6分別為PWM轉矩約為20%、50%和100%時，在馬達運轉過程中用示波器捕捉到的各相電流和過零點位置波形。
圖4PWM信噪比為20%
圖5PWM信噪比為50%
圖6PWM信噪比為100%
各圖中最上方的方波中每位高低翻轉的位置即對應程序中測量到過零點的時刻，下邊三個矩形波分別為A、B、C單相的端電流。由圖中可以看出PWM信噪比越高時系統運行越穩定。本系統經測試在PWM轉矩低至8%時能夠穩定運行。