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120°方波无传感器BLDC电机控制器

07/17

120°方波无传感器BLDC电机控制器

1、 概述

本应用笔记介绍了如何使用“端电压法”来实现120°方波无传感器BLDC电机控制器的设计。采用 “端电压法”来检测无传感器BLDC电机转子的位置，具有电路简单和程序算法简单的优点，系统响应速度快。端电压的过零点就是电机的换相点，与构建电机虚拟中性点的检测方式相比，无需软件延时30°电角度，降低了软件编写的难度。

本设计中采用C8051F330的片上比较器来检查BLDC电机端电压的过零点，从而获得转子的位置。针对不同的无传感器BLDC电机，在此设计的基础上适当地修改一些参数，都能很好地满足对BLDC驱动的要求。C8051F330是美国芯科实验室设计的一款高速51内核的MCU，它是传统51 MCU的改良产品，完全兼容传统51 MCU。C8051F330指令运行的峰值高达25MHZ，具有20个引脚，8K flash，768RAM，3个PCA模块，4个16位定时器，16通道10位ADC，AD转换速度高达200ksps，1通道10位DAC，1个片上比较器和1个片上温度传感器，以及丰富的通信接口：I2C、SPI和UART，QFN20小封装。

所需硬件

 SMC0901开发板（见图4）

 航模BLDC电机：D2632-1000（12VDC，4对极，额定带载转速5800RPM）  12V DC电源

图4 SMC0901开发板 该方案能实现的功能

 无传感器BLDC电机120°方波驱动  正反转控制

 调速范围：2000RPM ~ 6500RPM（机械转速），精度≤2%  PID转速闭环控制

 比较器法检测电机端电压过零点

 保护功能：过流保护、堵转保护和缺相保护

 出现故障后立即进入保护状态，3秒后进入自恢复起动，重新开始运行（堵转和缺相情况除外）

该方案优势：

 采用“端电压法”，使用MCU内置的比较器检测端电压过零点，效率更高，成本更低，能很好地

适应比较高速的无传感器BLDC电机调速系统

 自动相位控制，完全由硬件自动完成，无需软件干预

 参数调整简单，以适应不同的无传感器BLDC电机系统  能提供软、硬件参考设计

 适用于泵类和风机类负载的应用

2、系统介绍 1）“端电压法”

A) U、V、W三相的理想相电压波形图如图1、图2、图3所示：

B) U、W两相电压合成的波形图如图5所示。从图中我们可以看出，当U相电压过零点后，延时30 °的换相点恰好就是端电压VUW的过零点。当检测到端电压过零点后，就可以对电机立即进行换相。

C) “端电压法”的检查电路如下图6所示。

图6 “端电压法”检测电路

由于要使用电容将叠加到端电压上的PWM斩波干扰滤掉，这样就给端电压的波形带来了一个滞后的相移角度α。该相移α的理论计算如下：

式中：R1、R2为分压电阻； C为滤波电容； f 为反电动势频率 如果PWM频率足够高，滤波电容C足够小的话，可以得到比较满意的相移影响。

2）硬件设置

A）各接口和开关功能说明

硬件设置如图7所示。表1列举了各接口和开关的功能

表1 SMC0901各接口和开关功能说明 接口/开关

J1 J2 J3 S1 S2 R2

功能

C8051F330的DEBUG接口，通过仿真器和电脑相连 DC12V电源输入，给电机和系统的其他部分供电 3相无传感器BLDC电机接口

电机正反转控制。开关拨到左边，正转；拨到右边，反转

电机启停控制。开关拨到左边，起动电机；拨到右边，禁止电机运行。 电机调速按钮。当R2的阻值调整到小于最小设定值时，禁止电机运行。

右 左 右 左

图7 SMC0901硬件设置

B）系统连接示意图

图8 系统连接图

3、原理图和BOM清单 1）原理图

2）BOM清单

SMC0901 BOM清单

Price(赛格零售价格）

Part Type 102/25V 104/25V 104/25V 104/25V 104/25V 104/25V 104/25V 104/50V 104/25V 104/25V 104/25V 104/25V 104/25V 222/25V 222/25V 222/25V 1.2K 100K 100K 100K 100nF/25V 100Ω 100Ω 100Ω 100Ω 100Ω 100Ω 10K 10K 10uF/16V 10uF/16V 10uF/16V

1K

Designator

C14 C1 C11 C12 C19 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C16 C17 C18 R3 R16 R17 R18 C10 R10 R11 R12 R13 R8 R9 R5 R6 E1 E2 E3 R1

Footprint 603 603 603 603 603 603 603 RAD-0.2 603 603 603 603 603 603 603 603 603 805 805 805 603 805 805 805 805 805 805 603 603 RAD-2.54 RAD-2.54 RAD-2.54 603

Description

Capacitor Capacitor Capacitor Capacitor Capacitor Capacitor Capacitor

Capacitor,瓷片电容 Capacitor Capacitor Capacitor Capacitor Capacitor Capacitor Capacitor Capacitor Resistor Resistor Resistor Resistor Capacitor Resistor Resistor Resistor Resistor Resistor Resistor Resistor Resistor

铝电解电容(φ5×11mm),105°C 铝电解电容(φ5×11mm),105°C 铝电解电容(φ5×11mm),105°C Resistor

单位：元/PCS RMB0.03 RMB0.03 RMB0.03 RMB0.03 RMB0.03 RMB0.03 RMB0.03 RMB0.05 RMB0.03 RMB0.03 RMB0.03 RMB0.03 RMB0.03 RMB0.03 RMB0.03 RMB0.03 RMB0.01 RMB0.01 RMB0.01 RMB0.01 RMB0.03 RMB0.01 RMB0.01 RMB0.01 RMB0.01 RMB0.01 RMB0.01 RMB0.01 RMB0.01 RMB0.0265 RMB0.0265 RMB0.0265 RMB0.01

1K 1K 1K 1N4148 1N4148 1N4148 1uF/25V 220nF/25V 220nF/25V

22K 22K 22K 2SK4201 2SK4201 2SK4201 2SK4201 2SK4201 2SK4201 3.3V 3K 4.7uF/16V 47uF/50V 47uF/50V 47uF/50V 47uF/25V 47uF/25V 47uF/25V

5K Brake C8051F330 CW_CCW

R14 R22 R7 D3 D4 D5 C20 C13 C15 R19 R20 R21 M1 M2 M3 M4 M5 M6 D1 R4 E5 E4 E6 E7 E10 E8 E9 R2 S2 U1 S1

805 603 603 MELF2 MELF2 MELF2 805 603 603 805 805 805 TO-220-1 TO-220-1 TO-220-1 TO-220-1 TO-220-1 TO-220-1 MELF2 603 RAD-2.54 RAD-3.0 RAD-3.0 RAD-3.0 RAD-2.54 RAD-2.54 RAD-2.54 R-Adjustor PDIP20

Resistor Resistor Resistor 二极管 二极管 二极管 Capacitor Capacitor Capacitor Resistor Resistor Resistor

Low Charge N-Channel MOSFET

Low Charge N-Channel MOSFET

Low Charge N-Channel MOSFET

Low Charge N-Channel MOSFET

Low Charge N-Channel MOSFET

Low Charge N-Channel MOSFET 3.3V稳压管 Resistor

铝电解电容(φ4×7mm),105°C 铝电解电容(φ6×12mm),105°C 铝电解电容(φ6×12mm),105°C 铝电解电容(φ6×12mm),105°C 铝电解电容(φ5×11mm),105°C

铝电解电容(φ5×11mm),105°C

铝电解电容(φ5×11mm),105°C

可调电阻，5K，精度10%

RMB0.0265 RMB1.30 RMB0.25 RMB0.25 RMB0.0265 RMB0.0265 RMB0.041 RMB0.041 RMB0.041 RMB0.0265 RMB0.038 RMB0.01 RMB0.01 RMB0.01 RMB0.01 RMB0.023 RMB0.023 RMB0.023 RMB0.03 RMB0.03 RMB0.03 RMB0.03 RMB0.03 RMB0.03

SS-12F20G4 3PIN开关 SS-12F20G4 3PIN开关

Header 3 Header 5X2 IN4148 IN4148 IN4148 IR2103 IR2103 IR2103 KIA78D05F KIA78D05F KIA78D05F LM117IMPX3.3 PHONEJACK

R020 ST662A PCB

J3 J1 D2 D6 D7 U7 U8 U9 U2 U3 U4 U6 J2 R15 U5

合计 128-3P HDR2X5 MELF2 MELF2 MELF2 SO-8 SO-8 SO-8 SMT7805 SMT7805 SMT7805 SOT-223 2512 SO-8

马达接线端子

Header, 5-Pin, Dual row，仿真接口 二极管 二极管 二极管

Positive Voltage Regulator Positive Voltage Regulator Positive Voltage Regulator Positive Voltage Regulator 功率电阻

RMB350.00/30PCS

RMB0.063 RMB0.023 RMB0.023 RMB0.023 RMB2.43 RMB2.43 RMB2.43 RMB0.80 RMB0.80 RMB0.80 RMB0.50 RMB0.30 RMB0.20 RMB4.00 RMB11.67 RMB30.00 RMB0.60

DC005Φ2.0 DC电源插座


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