求一种基于单片机的电动工具无刷电机的解决方案

　　引言
　　全球能源问题日渐激化，节能高效的电机产品必然受到企业重视及国家政策支持。电动工具采用三相无刷直流电机与单片机驱动控制可降耗节能30%以上，具有智能化控制、提升效率和延长使用寿命等显著优点。在电动工具中开展无刷电机控制应用必然成为一种行业趋势。
　　1 概述
　　1.1 三相直流无刷电机原理
　　1.1.1 闭环控制
　　通过闭环测量当前电机的转速以达到控制电机转速的目的。通过计算期望转速和实际转速的误差，运用PID算法调节PWM的占空比，以达到控制电机转速的目的。对于低成本，低转速的应用场合，可使用霍尔传感器获得转速反馈。利用PIC18FXX31微控制器本身定时器测量两个霍尔元件输出信号，根据信号得出实际转速。在高转速应用场合，可在电机上安装光电编码器，利用其输出相差90°的信号进行转速和转向测量。通常，光电编码器可输出
　　PPR信号，进行较精确的转子定位，编码器的编码刻度可以上百甚至上千，编码刻度越多，精度越高。
　　1.1.2 反电动势（BACK EMF）
　　根据楞次定律（Lenz law），BLDC转动时其绕组会产生与绕组两端电压相反方向的反向电压，这就是反电动势（E）。反电动势和绕组所加电压呈反向，决定反电动势值的主要因素如下：
　　1） 转子的角速度；
　　2） 转子永磁体的磁场强度；
　　3） 定子每相线圈匝数。
　　反电动势计算公式：
　　E= NLBW （1）
　　式中：
　　N——每相线圈匝数
　　L——转子长度
　　B——电机气隙磁通密度
　　W——为转子的角速度
　　电机确定后，其绕组的数量和永磁体的磁通密度就决定了。由公式可知，唯一决定反电动势的量是转子的角速度（也可以换算为线速度），且角速度和反电动势成正比。通过反电动势常量，可估算某一转速下反电动势大小。绕组上的电压等于供电电压减去反电动势，在设计电机时会选取适当的反电动势常量以便电机工作时有足够的电压差可以使电机达到额定转速并具有足够的转矩。当电机超过额定转速工作时，反电动势会持续上升，这时施加在电机绕组间的有效电压下降，电流减少，扭矩下降。
　　1.1.3 无传感器BLDC控制
　　目前为止，我们所讨论的都是基于霍尔元件获取电机转子位置的换向器控制方式，可直接通过测量电机反电动势获知转子位置。任何时候，电机的绕组都是有一相为正向通电、一相为反向通电和另外一相为不通电。当某相反电动势反向时，霍尔传感器的输出也随之变化。理想状态下，霍尔元件的输出会在反电动势过零的时候发生改变，实际应用时会有一小段延迟，这种延迟可以通过微控制器补偿。图1为利用反电动势过零检测的方式来控制BLDC示意。
　　
　　图1 过零检测电机控制
　　还有一方面需要考虑：当电机转速比较低的时候，反电动势会比较小，以致过零检测电路无法正常检测，这个时候在电机启动阶段就需要使用开环控制，当电机启动到产生可以过零检测的反电动势转速时，系统就需要切换到过零检测控制模式，进行闭环控制。最低的过零检测转速可以根据电机的反电动势常量计算出来。根据这个原理，可以去除霍尔元件以及因其安装的辅助磁体，这样就可以简化制造节约成本。另外，除去了霍尔元件的电机可以安装在一些粉尘和油污比较大的地方而无须为保证霍尔的正常工作而定时进行清理，与此同时，这种免维护电机还可以安装在人很难触及的地方。
　　1.1.4 最大扭矩
　　最大扭矩可通过负载扭矩、转动惯量和摩擦力相加而得到。另外，受一些额外因素影响最大需求扭矩如：气隙空气的阻力等，这就需要至少20%的扭矩余量，综上所述，有以下等式：
　　 （2）
　　TJ为电机启动或加速过程需要克服的转动力矩，其主要包括电机转子的转动力矩和负载
　　的转动力矩，其表示为：
　　 （3）
　　式中
　　α——加速度
　　JL——转子转动力矩
　　M——负载转动力矩
　　电机的机械轴决定电机的负载力矩和摩擦力。
　　1.1.5 平方根扭矩
　　可以近似的认为平方根扭矩为实际应用中需要的持续输出扭矩。它由很多因素决定：最大扭矩、负载扭矩、转动惯量、加速、减速以及运行时间。
　　1.1.6 转速
　　这是有应用需求的转速。一般，可根据电机的转速梯形曲线确定转速需求。通常，由于其他因素，在计算电机转速需求时需留有余量。
　　
　　图2 转速梯形曲线
　　2 电动工具用直流无刷电机设计案例
　　2.1方案设计
　　该方案针对锂离子充电式电动工具开发的无霍尔控制。通过XMC1301T038F0016内置的
　　3路比较器进行反电势零采样，通过内部POSIF模块进行软件滤波，CCU8输出6路方波PWM 至英飞凌的驱动芯片6ED003L06-F，从而驱动MOS管工作。过流保护通过内部带增益的ADC 进行电流检测与保护。XMC1301T038F0016系列内核为32 MHZ，外设工作为64 MHZ，较好实现无霍尔启动算法实现。芯片有TSSOP38和QFN24封装，适合电动工具的狭小空间设计。
　　2.2方案特色
　　基于英飞凌CONTEX-M0产品做主控，32位单片机的性能、8位单片机的价格。配合方波驱动以及闭环控制技术，实现电动工具稳定可靠运行。
　　2.3技术参数
　　1） 采用英飞凌contex-M0 MCU，性能稳定，抗干扰强，高可靠性；
　　2） 直流18V输入（可兼容不同锂离子电池10～36 V）；
　　3） 三相无霍尔直流无刷电机驱动，转速达2 5000 r/min；
　　4） 采用德国英飞凌高性能MOS/IGBT，驱动功率高达800 W；
　　5） 高亮LED照明，工作时点亮，不工作时自动熄灭；
　　6） 采用智能控制技术实现待机（不工作时）功耗为0 消耗；
　　7） 通过软件实现软启动，启动时间可调整，瞬间（1 s）达最高速；
　　8） 具有过流保护、堵转保护、过压欠压保护；
　　9） 带速度设置按键、正反转按键、调速开关；
　　2.4设计原理
　　
　　图4 MCU电路
　　
　　图5 三相全桥驱动6ED003L06-F电路
　　
　　图6 MOS驱动电路
　　
　　图7 反电势电路图
　　2.5单片机介绍
　　XMC1302T038F0016是英飞凌XMC1000系列的cortex-m0产品，具有以下特点：65NM嵌入式闪存技术、行业标准的ARMCortex-M0处理器、丰富的电机控制单元（ccu4ccu8posif cmp）、最高工作温度可达105℃。
　　
　　图8 XMC1302T038F0016特性
　　2.6功率选用
　　本电动工具功率器件选用：IPP052NE7N3。
　　1） 导通电阻： 5.2 mΩ（max）
　　2） 高速切换/低切换损耗及驱动损耗：栅极电荷为造成切换损耗及驱重损耗的主要原
　　因。较低的栅极驱动损耗，可使驱动电路负载降低 30%以上，且较快的切换还可以改善 EMI。
　　英飞凌新一代 75V/80V的 MOS管切换的上升下降时间均不低于 5 ns。
　　3） 高效能 ：业界常用优质系数（Figure Of Merit，FOM）（FOM=RDSON×Qg）以导通电阻与栅极电荷的乘积值作比较，客观评估 MOSFET 性能。在导通电阻相同的情况下，英飞凌号称全新 OptiMOS 75V/80V器件的栅极电荷，比采用最接近的沟槽工艺制造的器件低
　　35%，而其输出电荷比最佳的横向 MOSFET 器件低一半。
　　4） 高功率/低热阻： MOSFET 所能承受的最大功率损耗，是由硅片的接触面到外壳间
　　的热阻所决定的，因此要达到高功率并减少导通电阻的目的，除了改良开发新的
　　MOSFET 或工艺技术外，封装的方式亦扮演着重要的角色。英飞凌主流的封装方式为
　　TO220-3、相对传统的 SO-8封装大幅减少热阻，减少在焊接点及接触点的电阻外，进而降低等效导通电阻。
　　3 结语
　　电动工具逐步采用直流无刷化是一种技术趋势。无刷直流电机可使得电动工具产品设计日趋智能化，且整机使用寿命长，电机性能高效，启动力矩大，转速稳定；通过电子控制具有多重保护，不烧机；可选用低压锂电池供电，比普通产品节能达到30%以上。