三相带霍尔传感器的BLDC电机控制让初学者快速了解霍尔传感器的PWM控制方式

三相带霍尔传感器的三相带霍尔传感器的 BLDC 电机控制电机控制 V1.1 - Nov 23, 2005 中文版中文版 19, Innovation First Road Science Park Hsin-Chu Taiwan 300 R.O.C. Tel: 886-3-578-6005 Fax: 886-3-578-4418 E-mail: mcu 三相带霍尔传感器的三相带霍尔传感器的 BLDC 电机控制电机控制 Sunplus Technology Co., Ltd. PAGE 2 V1.1 Nov 23, 2005 版权声明版权声明 凌阳科技股份有限公司保留对此文件修改之权利且不另行通知。凌阳科技股份有限公司所提供之信息相信为正确且 可靠之信息，但并不保证本文件中绝无错误。请于向凌阳科技股份有限公司提出订单前，自行确定所使用之相关技 术文件及规格为最新之版本。若因贵公司使用本公司之文件或产品，而涉及第三人之专利或著作权等智能财产权之 应用及配合时，则应由贵公司负责取得同意及授权，本公司仅单纯贩售产品，上述关于同意及授权，非属本公司应 为保证之责任。又未经凌阳科技股份有限公司之正式书面许可，本公司之所有产品不得使用于医疗器材，维持生命 系统及飞航等相关设备。 三相带霍尔传感器的三相带霍尔传感器的 BLDC 电机控制电机控制 Sunplus Technology Co., Ltd. PAGE 3 V1.1 Nov. 23, 2005 目录目录 页页 1 工作原理工作原理.5 1.1 直流无刷电动机概述 . 5 1.2 基本工作原理. 5 1.3 直流无刷电动机的驱动. 6 1.4 PWM方式调速. 7 2 硬件设计硬件设计.10 2.1 SPMC75F2413A单片机系统. 12 2.2 IPM模块及驱动 . 12 2.3 位置侦测 . 14 3 PID控制控制.16 4 软件说明软件说明.19 4.1 软件说明 . 19 4.2 档案构成 . 19 4.3 DMC界面 . 19 4.4 子程序说明. 20 5 程序范例程序范例.26 5.1 程序范例 . 26 5.2 程序流程与说明. 27 5.3 中断子流程与说明. 28 6 MCU使用资源使用资源.29 6.1 MCU硬件使用资源说明. 29 7 实验测试实验测试.30 7.1 控制信号 . 30 7.2 转速调节 . 32 7.3 电流波形 . 33 7.4 系统响应 . 34 8 参考文献参考文献.37 三相带霍尔传感器的三相带霍尔传感器的 BLDC 电机控制电机控制 Sunplus Technology Co., Ltd. PAGE 4 V1.1 Nov. 23, 2005 修订记录修订记录 版本版本 日期日期 编写及修订者编写及修订者编写及修订说明编写及修订说明 1.0 2004/11/12 初始版本 1.1 2005/11/23 错误校正 三相带霍尔传感器的三相带霍尔传感器的 BLDC 电机控制电机控制 Sunplus Technology Co., Ltd. PAGE 5 V1.1 Nov. 23, 2005 1 工作原理工作原理 1.1 直流无刷电动机概述直流无刷电动机概述 直流无刷电动机采用电子换向器替代了传统直流电动机的机械换向装置，从而克服了电刷和换向器 所引起的噪声、火花、电磁干扰、寿命短等一系列弊病。由于直流无刷电动机既具备交流电动机的结构 简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具有直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能 好等诸多优点，故其在工业领域中的应用越来越广泛。 1.2 基本工作原理基本工作原理 1、电动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。电动机的转子上粘 有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件 和集成电路等构成，其功能主要是：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。直流无刷电动机的控制原理简图 如图 11 所示。 V1V3V5 V4V6V2 U V W U VW H1 H2 H3 交流电源 图 11 直流无刷电动机的控制原理简图 主电路是一个典型的电压型交-直-交电路，逆变器提供等幅等频 524KHz 调制波的对称交变矩形 波。永磁体 N-S 交替交换，使位置传感器产生相位差 120的 H3、H2、H1 方波，从而产生有效的六状 态编码信号：010、011、001、101、100、110，通过逻辑组件处理产生 V6V1 导通、V5V6 导通、 V4V5 导通、V3V4 导通、V2V3 导通、V1V2 导通，也就是说将直流母线电压依次加在 UV、 WV、WU、VU、VW、UW 上，这样转子每转过一对 N-S 极，V1、V2、V3、V4、V5、 V6 各功率管即按固定组合成六种状态的依次导通。 每种状态下， 仅有两相绕组通电， 依次改变一种状态， 定子绕组产生的磁场轴线在空间转动 60电角度，转子跟随定子磁场转动相当于 60电角度空间位置，转 三相带霍尔传感器的三相带霍尔传感器的 BLDC 电机控制电机控制 Sunplus Technology Co., Ltd. PAGE 6 V1.1 Nov. 23, 2005 子在新位置上，使位置传感器 U、V、W 按约定产生一组新编码，新的编码又改变了功率管的导通组合， 使定子绕组产生的磁场轴再前进 60电角度，如此循环，直流无刷电动机将产生连续转矩，拖动负载作连 续旋转。 1.3 直流无刷电动机的驱动直流无刷电动机的驱动 本方案采用 120 度方波的算法驱动 IPM 的内置 IGBT 从而来驱动直流无刷电动机。对 IGBT 信号的 分配必然和电动机的位置有着紧密的联系，从 BLDC 的霍尔传感器反馈回来的位置信号经过编码后是： 010、011、001、101、100 和 110 六种状态，所以可以根据这六种位置状态信息来分配 IGBT 的驱动 信号。在这里我们优先选用了 IGBT 的上桥臂用分配 PWM 信号，下桥臂分配高低电平的驱动方式，所 以我们可以通过改变上桥臂 PWM 的占空比来改变加在直流无刷电动机上的端电压。信号分配和位置关 系如图 12 所示。 正转 V1 V3 V5 V4 V6 V2 H3 H2 H1 换流 图 12 位置驱动信号关系 其中：V1、V2、V3、V4、V5 和 V6 表示 IGBT 组成的三相全控桥电路，上桥的 V1、V3 和 V5 三个功率 管，下桥的 V2、V4 和 V6 三个功率管，分别控制这 U、V 和 W 三相直流电的流向，如图 11 所示连接 方式。H1、H2 和 H3 是霍尔传感器的三个信号出线。 如果正转的位置信号和驱动信号的关系如上图 12 所示：010（H3 H2 H1）V6V1、011（H3 H2 H1）V5V6、001（H3 H2 H1）V4V5、101（H3 H2 H1）V3V4、100（H3 H2 H1）V2V3、110 三相带霍尔传感器的三相带霍尔传感器的 BLDC 电机控制电机控制 Sunplus Technology Co., Ltd. PAGE 7 V1.1 Nov. 23, 2005 （H3 H2 H1）V1V2 的顺序来换流的话，那幺我们可以同样根据位置信号给出反转时驱动信号的换流 关系。即：001（H3 H2 H1）V1V2、011（H3 H2 H1）V2V3、010（H3 H2 H1）V3V4、110（H3 H2 H1）V4V5、100（H3 H2 H1）V5V6、101（H3 H2 H1）V6V1。具体电机的相序一定要搞清 楚，如果换流不对或不当的话直流无刷电动机就会左右振动根本旋转不起来，或者电流很大且电流波形 是不对的。 通过上述控制信号来控制各个功率管的 on/off，使得电流依序流入 U、V、W 三相线圈，而在直流 无刷电动机的内部产生旋转磁场，如图 13 所示，指出了在控制信号的作用下各相的电压、电流方向的 关系。 06012018024030036042060 iu iu iv iv iw iw U V W 电流 方向 W-U V=0 W-V U=0 U-V W=0 U-W V=0 V-W U=0 V-U W=0 W-U V=0 W-V U=0 旋转 角度 图 13 电流时序 1.4 PWM 方式调速方式调速 在控制功率组件的信号中加入 PWM，调整 PWM 的占空比，即输出 PWM 的 Duty，使得调整输入 电动机的端电压的大小，进而控制直流无刷电动机的转速，其中控制信号 PWM 的加入有四种方式：上 相 PWM、下相 PWM、前半 PWM 和后半 PWM。如图 14 所示。 三相带霍尔传感器的三相带霍尔传感器的 BLDC 电机控制电机控制 Sunplus Technology Co., Ltd. PAGE 8 V1.1 Nov. 23, 2005 V4 V6 V2 V1 V3 V5 （a）上相 PWM V4 V6 V2 V1 V3 V5 （b）下相 PWM V4 V6 V2 V1 V3 V5 （c）前半 PWM 三相带霍尔传感器的三相带霍尔传感器的 BLDC 电机控制电机控制 Sunplus Technology Co., Ltd. PAGE 9 V1.1 Nov. 23, 2005 V4 V6 V2 V1 V3 V5 （d）后半 PWM 图 14 PWM 加入方式 三相带霍尔传感器的三相带霍尔传感器的 BLDC 电机控制电机控制 Sunplus Technology Co., Ltd. PAGE 10 V1.1 Nov. 23, 2005 2 硬件设计硬件设计 直流无刷电动机的应用已经遍及各个技术领域，其控制方法和运行方式也是五花八门，层出不穷， 此方案将选用 16 位变频芯片 SPMC75F2413A 和功率器件智能模块 IPM， 结合基本的驱动算法来实现对 三相绕组直流无刷电动机的驱动和调速。 其硬件电路的设计主要包括：电源，控制器系统，IPM 模块及驱动，位置侦测和 RS232 通信五个部 分。各部分的框图如图 21 所示，硬件电路原理如图 22 所示。 SPMC75F2413A控制系统 智能模块IPM 光耦隔离 M 霍尔传感位置侦测 RS232通信部分 U V W UN VN WN FTIN TIOC TIOB TIOA TXD RXD 开关电源AC220V接入 311VDC 5VDC5V15V 图 21 系统框图 下面就 SPMC75F2413A 单片机系统，IPM 模块及驱动和位置侦测等部分的硬件电路具体来分析。 三相带霍尔传感器的三相带霍尔传感器的 BLDC 电机控制电机控制 Sunplus Technology Co., Ltd. PAGE 11 V1.1 Nov. 23, 2005 WP UART-TXD M O T O R 1- W N STEP-B D22 LED 12 IC15 74HC373 1 11 20 2 5 6 9 12 15 16 19 3 4 7 8 13 14 17 18 OE LE VCC 1Q 2Q 3Q 4Q 5Q 6Q 7Q 8Q 1D 2D 3D 4D 5D 6D 7D 8D STEP-A M O SI IC16 PC817 1 2 4 3 R57 5.1K R53 1.8K XTAL2 P+15V ProbeSDA C40 0.22uF CON8 Probe conn 1 2 3 4 5 Q2 2N3904 2 1 3 Drive S1 C46 100pF P+15V +5V S2 UART-TXD DRV-EN MOTOR1-WP UART-RXD P+15V H C U R M O T O R 1-V N T S E N 1 R40 1K IC8 PS21563 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 VUFS NC VUFB VP1 NC UP VVFS NC VVFB VP1 NC VP VWFS NC VWFB VP1 NC WP NC VNO UN VN WN FO CFO CIN VNC VN1 NC NC P U V W N VVFB IO D 7 Pr ob eS D A Protect CIN VVFS ProbeEN M O T O R 1- U P LE D 3 UART-RXD S E G 1 +5V +5VA VVFS R55 3.9K MOTOR1-VN FAN-UN IO D 4 R58 10 T S E N 1 SOFT-RELAY R26 1K AVSS FOIN1 Q4 2N3904 2 1 3 R131 2.2K C30 0.22uF D10 MUR160 12 P+5V DRV-EN HALL-U2 DRV-EN WN FO +5 UN FAN-UP M O T O R 1- V P R E S E T V ACZVC H C U R UP C55 0.1uF IC29 MAX232 1 2 5 3 4 11 10 12 9 16 6 15 14 7 13 8 C1+ Vs+ C2- C1- C2+ T1IN T2IN R1OUT R2OUT VCC Vs- GND T1OUT T2OUT R1IN R2IN IPM-MW M IS O M O T O R 1- W P SCFO Q5 2N3904 2 1 3 + C51 LXZ-33uF/35V + C48 LXZ-33uF/35V MOTOR1-WN D8 MUR160 12 R123 2.2K IC11 PC817 1 2 4 3 R1IN SOFT-RELAY C45 100pF MOTOR1-VN VVFB H AL L- U 1 + C43 LXZ-33uF/35V R56 3.9K Q7 2N3904 2 1 3 R35 3.9K IPM-MU VN C50 0.22uF/50V R42 1K +5V IO D 6 INFRAD ACI-CLKB +5V IPM-MV OLIN2 FAN-VP IC14 PC817 1 2 4 3 RESET MHALL-U C99 0.1uF FAN-VN P+15V R49 10K C93 0.1uF IC10 PC817 1 2 4 3 C79 0.1uF +5V +5VA IPM-MW VUFS T1OUT S E G 4 S1 SW P+5V MHALL-W VWFS R52 3.9K FAN-UP T S E N 5 UP +5V MOTOR1-VP ACI-CLKC STEP-BN S E G 3 M O T O R 1- U P V D D L R33 10K IC4C 74HC00_0 9 10 8 +5V IPM-MV HALL-V2 DIR-VALVE VDDL M O T O R 1- U N Pr ob eE N P+15V T S E N 4 V B U S S1 R129 3.3K C49 1000pF +5V T S E N 2 VWFS R51 3.9K R59 1K IC4D 74HC00_0 12 13 11 M O T O R 1- V N CON6 HALL SENSOR 1 2 3 4 5 R27 1K R37 3.9K +5V SCFO R1IN R61 10 V B U S +C97 220uF/16V P+15V S5 C96 20pF 12 +5V FOIN1 R32 10K S6 Y1 6M LE D 4 FAN-WN STEP-AN D20 1N4148 1 2 C44 100pF N STU-LED T S E N 2 R48 10K R175 10K VP H AL L- V1 D9 MUR160 12 C39 0.22uF VCC AVSS MOTOR1-VP S4 UN MOTOR1-UN C52 0.22uF/50V A V C M D +5V C34 100pF FO R45 330 + C53 LXZ-33uF/35V C105 0.1uF 1 2 R30 330 +5V CON3 TO-MOTOR 1 2 3 P+5V STU-LED HALL-V2 M P C LK HALL-U2 FAN-UN IO D 5 +5V P+5V MOTOR1-UN XTAL1 R34 3.9K Q6 2N3904 2 1 3 M O T O R 1- V P VUFB S3 R150 220 +C98 220uF/16V P+5V MOTOR1-WP FAN-VN VDC C54 0.22uF/50V +5V S3 C104 0.1uF 1 2 C32 100pF FAN-WN A V C M D MOTOR1-WN M O T O R 1- W N H AL L- W 1 R29 330 C100 0.1uF D21 3.3V 1 2 1206 FB2 60_ohm_3A_1206 HALL-W2 H AL L- V1 Pr ob eS C L R25 1K S2 C94 0.1uF 1 2 R31 10K P+5V VUFB H AL L- W 1 CIN N EMGSTOP R117 3.3K +5V F OI N 1 FOIN2 X T AL 1 R54 3.9K IC13 PC817 1 2 4 3 C101 0.1uF R39 3.9K C85 0.1uF SPMC75F2413A S6 ProbeSCL C31 0.22uF/50V R36 3.9K P+15V P+5V VWFB S4 R60 1K R62 10 C33 100pF C28 0.22uF T S E N 4 MPSTE FAN-WP ACZVC S E G 2 MHALL-V VWFB C35 0.22uF/50V R41 1K R122 3.3K R50 3.9K T1OUT ACI-CLKD T S E N 5 R47 10K Q17 2N3904 2 1 3 R140 10K UART VP MOTOR1-UP C95 20pF 12 R38 3.9K C38 0.22uF R46 BRP58F0.082-K C41 0.022uF/50V WP LE D 2 ACI-CLKA 1206 FB1 60_ohm_3A_1206 C47 3300pF IC12 PC817 1 2 4 3 IPM-MU WN O LI N 1 FOIN2 BUZZER C29 0.22uF R148 100 M O T O R 1- U N X T AL 2 LE D 1 R149 200K C36 0.22uF/630VDC HALL +5V FAN-VP F OI N 1 VN IC9 PC817 1 2 4 3 Q18 2N3904 2 1 3 R43 330 R118 2.2K MOTOR1-UP VUFS HALL-W2 IC4B 74HC00_0 4 5 6 Q19 2N3904 2 1 3 H AL L- U 1 C42 0.22uF/50V + C92 10uF/16V VDC FAN-WP S5 T S E N 3 DRV-EN R44 330 C37 0.22uF/50V C82 0.1uF P4 CONNECTOR DB9 5 9 4 8 3 7 2 6 1 T S E N 3 M O T O R 1- W P R28 330 P+5V U1 SPMC75F2413A - QFP80 555354 1 52 2 3 4 5769 101112131415161718192021222324 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 6059585756 8 5051494847464544434241 40 39 38 80 79 78 77 76 75 74 73 72 71 70 69 68 67 66 65 64636261 V S SL X TA L1 X TA L2 TE S T V D D L IC E C LK IC E S D A IO D 0/I C E C LK IO D 1/I C E S D A R E S E T IO D 2 N CNC IO B0 /T IO 3F /W 1N IO B1 /T IO 3E /V 1N IO B2 /T IO 3D /U 1N IO B3 /T IO 3C /W 1 IO B4 /T IO 3B /V 1 IO B5 /T IO 3A /U 1 IO B6 /F TI N 1 IO B7 /O L1 IO B8 /T IO 0C IO B9 /T IO 0B IO B1 0/ TI O 0A IO B1 1/ S C K IO B1 2/ S DI /R X D 1 IO B1 3/ S D O/ T X D 1 IOB14 IOB15 IOD12 IOD13 IOD14 IOD15 IOA8 IOA9/TIO2A IOA10/TIO2B IOA11/TCLKA IOA12/TCLKB IOA13/TCLKC IOA14/TCLKD IO D 8 IO D 7 IO D 6 IO D 5 IO D 4 IO D 3 A V S S A V D D V E XT R E F IO A7 /A N 7 IO A6 /A N 6 IO A5 /A N 5 IO A4 /A N 4 IO A3 /A N 3 IO A2 /A N 2 IO A1 /A N 1 IO A0 /A N 0 VSS VDD IOA15/ADCTRG IOC15/TIO4F/W2N IOC14/TIO4E/V2N IOC13/TIO4D/U2N IOC12/TIO4C/W2 IOC11/TIO4B/V2 IOC10/TIO4A/U2 IOC9/FTIN2 IOC8/OL2 IOC7/TIO1C IOC6/TIO1B IOC5/TIO1A IOC4/BZO IOC3/EXINT1 IOC2/EXINT0 IOC1/TXD2 IOC0/RXD2 N C IO D 11 IO D 10 IO D 9 +5V IPM C102 0.1uF 1 2 C103 0.1uF 1 2 IC4A 74HC00_0 1 2 3 Q3 2N3904 2 1 3 R172 10K IC34 PC817 1 2 4 3 C119 0.1uF C118 0.1uF IC35 TOP234P 15 2 3 7 8 4 MD S S S S C L1 Choke C122 KX-2200pF/250VAC CT1 +12V T2 TR-10 1 3 4 56 7 9 10 C20 X1-0.22uF/250VAC D28 P6KE200A 1 2 P1 N R168 470 P+5V +C114 470uF/25V + C23 JACK-470uF/400V D27 MUR160 12 EARTH ACZVC D30 MUR160 1 2 D5 1N4148 1 2 P+18V SOUT P+18V C19 X1-0.22uF/250VAC R19 1K +5V R170 680 IC33 7815 1 2 3 VI G N D VO VDC R20 200K,1/2W T1 CT Q1 2N3904 2 13 C120 0.1uFVDC L3 100uH R21 10K R166 0 R174 51, 1W ZNR3 15G471K IC7 PC817 1 2 4 3 D32 1N4148 12 CON11 VAC input 1 2 3 VCC CT2 D31 1N5822 12 EMI +5V C116 0.1uF C18 Y2-2200pF/250VAC IC36 TL431 2 3 1ROUT SOUT Switching Power Supply R22 470 SOFT-RELAY + C121 33uF/35V VDC R167 910K R173 10 +5V C25 Y2-2200pF/250VAC ROUT SOFT-RELAY VDC +C117 47uF R23 20K P+15V ZNR1 15G471K ZNR2 15G471K C113 0.1uF R24 200K C21 KH-103K/250VAC C24 224K/630VDC D6 1N4148 12 C22 Y2-2200pF/250VAC +12V P+15V L2 3.3uH R169 39.2K -+ DB1 GBU6K 1 3 2 4 C27 0.1uF +C112 470uF/35V t RT1 PTC C26 100pF SOUT ROUT + C110 470uF/25V +C124 47uF R165 1M C123 0.1uF IC37 78L05 1 2 3 VI G N D VO ZNR4 15G471K D29 MUR160 12 D7 1N4148 1 2 +C115 470uF/25V F1 10A R171 3.3K L4 3.3uH +5V/P+15V/P+5V power RLY1 G6B-1174P-US 3 4 1 6 ACZVC + C111 470uF/25V IC32 SI-8050S 1 5 2 4 3 VIN SS SWOUT VOS G N D C125 0.1uF L5 100uH 图 22 硬件电路原理图 三相带霍尔传感器的三相带霍尔传感器的 BLDC 电机控制电机控制 Sunplus Technology Co., Ltd. PAGE 12 V1.1 Nov. 23, 2005 2.1 SPMC75F2413A 单片机系统单片机系统 SPMC75F2413A 是嵌入式 16 位微控制器，适用于变频电动机驱动、电源、家电和车内风扇控制系 统等领域。 SPMC75F2413A 微控制器部分硬件设计如图 23 所示。 图 23 SPMC75F2413A 微控制器 可以通过 Probe 来连接内嵌在线仿真，为使用者在程序开发过程提供的很大的方便，从而大大的降 低了驱动及系统开发的难度，同时也提高了生产效率、缩短了新产品的上市周期。 2.2 IPM 模块及驱动模块及驱动 智能模块 IPM （Intelligent Power Module） 的使用方便和简化了微控制器和被控对象之间联系关系， 同时也为驱动中小功率直流无刷电动机提供可行解决方案。自身良好的保护机能（如电流保护、电压保 护、温度保护一应俱全）大大提高了系统的可靠性。如图 24 所示，IPM 电气连接图。 三相带霍尔传感器的三相带霍尔传感器的 BLDC 电机控制电机控制 Sunplus Technology Co., Ltd. PAGE 13 V1.1 Nov. 23, 2005 P+15V C41 0.022uF/50V IPM-MV CIN IPM-MW R53 1.8K IPM-MU + C43 LXZ-33uF/35V VWFB VUFB N P+15V UN P+15V CON3 TO-MOTOR 1 2 3 C37 0.22uF/50V C31 0.22uF/50V IPM-MU VN C36 0.22uF/630VDC CIN VUFS VVFS IC8 PS21563 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 VUFS NC VUFB VP1 NC UP VVFS NC VVFB VP1 NC VP VWFS NC VWFB VP1 NC WP NC VNO UN VN WN FO CFO CIN VNC VN1 NC NC P U V W N VWFS C47 3300pF R175 10K C42 0.22uF/50V IPM-MW P+15V N P+5V R46 BRP58F0.082-K WN VP FO VVFB VDC WP IPM-MV C35 0.22uF/50V VDC UP 图 24 IPM 电气连接图 其中： IC8 ：IPM PS21563 C31、C35、C37 ：自举电容 0.22uF/50V C41 ：故障脉宽定时电容（陶瓷材料） 0.022uF/50V C42 : 去耦电容 0.22uF/50V C43 : 控制电源滤波电容 33uF/35V C47 : 短路采样 RC 滤波 3300pF R46 : 短路电流大小限制电阻 0.082 为了保护 MCU 微控制器部分这里实施了高压直流 IPM 部分和 MCU 部分的电气隔离，提高系统运 行的稳定和可靠性，控制系统和 IPM 之间用光耦来隔离驱动。如图 25 光隔离驱动电气原理图。 三相带霍尔传感器的三相带霍尔传感器的 BLDC 电机控制电机控制 Sunplus Technology Co., Ltd. PAGE 14 V1.1 Nov. 23, 2005 S2 R48 10K Q3 2N3904 2 1 3 R33 10K S1 R43 330 C33 100pF IC10 PC817 1 2 4 3 IC14 PC817 1 2 4 3 P+5V S5 Q6 2N3904 2 1 3 R42 1K P+5V R47 10K R41 1K R30 330 R38 3.9K R36 3.9K P+5V S4 R49 10K Q2 2N3904 2 1 3 R52 3.9K IC13 PC817 1 2 4 3 +5V IC9 PC817 1 2 4 3 +5V +5V P+5V C32 100pF R31 10K R44 330 WPUP Q4 2N3904 2 1 3 IC12 PC817 1 2 4 3 R26 1KR29 330 R50 3.9K +5V R45 330 WNUN R54 3.9K R32 10K R40 1K C45 100pF C30 0.22uF C29 0.22uF R37 3.9K VN C40 0.22uF R34 3.9K IC11 PC817 1 2 4 3 S3 R51 3.9K C38 0.22uF Q5 2N3904 2 1 3 C39 0.22uF R28 330 R56 3.9K P+5V VP C34 100pF R55 3.9K +5V Q7 2N3904 2 1 3 S6 R35 3.9K C28 0.22uF R27 1K P+5V R39 3.9K +5V C46 100pF R25 1K C44 100pF 图 25 光隔离驱动 IPM 其中：光耦两边必须使用不同的电源才能达到隔离的效果，否则不能起到电气隔离的作用。光耦建 议选择快速光耦，如果对载波的频率要求的不是特别高的话，也可以考虑选择 PC817/TLP521 等，来降 低成本。 IPM 出错信号的处理也是一个十分重要的问题，对系统运行时不正常状况的出现有着自我的保护功 能，这不仅仅是软件要处理的同时也可以从硬件方面来加强。为此设计了一个“保护锁”，一旦检测到 IPM 出错，硬件会自动的立即切断送往 IPM 的驱动信号，同时向 MCU 申请中断。只有故障消除以后，MCU 重新使能信号的输出才能使 IPM 再次的工作起来。如图 26 硬件保护电路。 IC4A 74HC00_0 1 2 3 MOTOR1-WP MOTOR1-VN IC15 74HC373 1 11 20 2 5 6 9 12 15 16 19 3 4 7 8 13 14 17 18 OE LE VCC 1Q 2Q 3Q 4Q 5Q 6Q 7Q 8Q 1D 2D 3D 4D 5D 6D 7D 8D MOTOR1-VP IC4B 74HC00_0 4 5 6 FO MOTOR1-UN IC4C 74HC00_0 9 10 8 S6 MOTOR1-WN +5V FOIN1 R60 1K MOTOR1-UP SCFO SCFO MOTOR1-UN MOTOR1-WP S1 MOTOR1-VP S2 C49 1000pF IC16 PC817 1 2 4 3 +5V MOTOR1-WN DRV-EN DRV-EN FOIN1 P+5V R59 1K MOTOR1-UP MOTOR1-VN S5 S4 S3 IC4D 74HC00_0 12 13 11 R57 5.1K 图 26 硬件保护电路 其中：IC15 74HC373 ，IC4 74HC00。 2.3 位置侦测位置侦测 对直流无刷电动机（BLDC）的驱动转子位置的侦就显得十分的重要了，因为直流无刷电动机的换 相是依据转子的位置来的，转子现在的位置将决定下个激磁相，所以换相完全是由转子位置来决定的。 三相带霍尔传感器的三相带霍尔传感器的 BLDC 电机控制电机控制 Sunplus Technology Co., Ltd. PAGE 15 V1.1 Nov. 23, 2005 当然有些直流无刷电动机内部就已经安装了用于位置侦测的霍尔传感部分来方便电动机的驱动，本方案 就是选用了带有霍尔传感器的直流无刷电动机。如图 27 霍尔传感位置侦测电路原理图的设计。 Q18 2N3904 2 1 3 C85 0.1uF +5V R131 2.2K R122 3.3K C82 0.1uF +5V MHALL-W +5V Q19 2N3904 2 1 3 MHALL-V R117 3.3K Q17 2N3904 2 1 3 R118 2.2K R129 3.3K +5V MHALL-U CON6 HALL SENSOR 1 2 3 4 5 C79 0.1uF R123 2.2K 图 27 霍尔传感位置侦测 三相带霍尔传感器的三相带霍尔传感器的 BLDC 电机控制电机控制 Sunplus Technology Co., Ltd. PAGE 16 V1.1 Nov. 23, 2005 3 PID 控制控制 对速度的调节这里选用比较常用的 PID 控制来实现，PID 控制器是一种比例（Proportion） 、积分 （Integral） 、微分（Differential）并联控制器。它是最广泛应用的一种控制器，PID 控制器的数学模型 可以用下式表示： )( )( 1 )()(u 0 dt