HT46R64在无传感器BLDC车用控制器设计中的应
用1
冉荣，尤一鸣
天津工业大学自动化系，天津（300160）
E-mail：20030810@https://www.doczj.com/doc/3e8224563.html,
摘要：带传感器直流无刷电机一直在电动自行车驱动系统中占主导地位,由于其本身固有的缺点，本设计提出了基于HT单片机控制的无传感器直流无刷电机车用控制系统的设计方案。本控制器设计能简化系统结构、降低系统成本、增强系统性能。
关键词：无传感器，无刷直流电机，反电势，电动自行车，HT46R64
中图分类号：TP2
1. 引言
近年来，国内市场上电动自行车使用的电机有三种：有刷电机、有位置传感器无刷电机和无位置传感器无刷电机。使用有刷直流电机容易解决换向问题，但是噪音大，而且碳刷容易磨损或损坏，增大维护、维修难度，增加使用成本；使用有传感器无刷直流电机，容易确定转子位置，解决换向问题，却增大了电机的设计、制造、安装难度，也增加了成本，并且传感器容易损坏，导致电机的使用寿命缩短；无传感器无刷直流电机换向虽在技术上有难度，但在成本和寿命问题上更容易满足消费者需求。
综合以上特点，本控制器选择了性价比相对好的无传感器无刷直流电机（brushless direct current with sensorless），采用盛群公司的HT46R64[1]为主控芯片，以“反电势法（back electromotive force）”实现电机正常换向，软硬配合，使电动车驱动系统工作在最佳状态，从而提高产品的可靠性和使用寿命。
2. 工作原理
本控制器结构框图如下：主要由MCU、直流无刷电机、LCD液晶显示屏、键盘、电源、时钟等模块组成。其中MCU采用台湾Holtek公司生产的HT46R64微处理器，以它作为系统核心，连同一些外围硬件，且配合软件共同控制直流无刷电机，从而实现该控制器的优良性能。比如通过MCU指令控制电机的正反转，调速，刹车或制动等。根据电机所转圈数计量行程，并以数字形式显示在液晶屏上，通过键盘操作方便查看行程以及其它系统信息。电源模块主要用来在不需要显示时切断相应部分电路，同时保存关键信息，以此降低系统功耗。
1本课题作为一个竞赛题目，得到盛群半导体有限公司（HOLTEK）赞助。
图1 本控制器结构框图
由图1可以看出，本控制器的主要功能大体分三部分：电机部分、行程计量、LCD显示，其中以电机控制为主导部分。
2.1 无传感器直流无刷电机的工作原理
2.1.1 电机的运行原理和换向原理[2] [3]
直流无刷机是典型的机电一体化产品，相当于一个电子开关线路系统。对于星形结构，当定子绕组的某两相通电时，该电流与转子磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子位置转换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定顺序导通，定子相电流随转子位置的变化按一定次序换向，以实现电机的连续正转或连续反转。
霍尔传感器在电机中广泛使用，带位置传感器直流无刷电机就是靠霍尔传感器[4]来确定转子位置，以使定子各相绕组顺序导通实现换向；而无传感器直流无刷机则是利用电子线路代替位置传感器，通过检测电机在运行过程中产生的反电势来确定转子位置，实现换向，如图2所示。
图2 用电子线路代替传感器框图
电机在运行过程中，要经过6次换向，每次换向时总有一相绕组没有通电，此时可以在该相绕组端口检测到该绕组产生的反电势，反电势在60°电角度内是连续的。由于电机的规格、制造工艺有差异，导致相同电角度的反电势值不同，若要通过检测反电势的数值来确定转子位置，难度极大，因此必须找到该反电势与转子位置的关系，才能确定转子位置。由图3知，反电势在60°的电角度过程中总有一次经过坐标横轴(过零点)，而此点的电角度和下一次换向点的电角度正好相差30°，故可通过检测反电势过零点，再延时30°换向。本设计是从被检测相断电开始计时等待反电势过零点，再延时等待相应时间，实现换向。
以正向反电势检测为例，假设之前是CB通着电，测A相反电势过零点，有过零点信号后等待相应时间，由139译码器开通A+，同时自动关闭C+，就换成了AB通电；再测C
相反电势，用同样的方法，开通C-，自动关闭B-，换成AC通电；再测B相反电势，开通B+，关闭A+，换成BC通电；再测A相反电势，开通A-，关闭C-，换成BA通电；接着测C相反电势，开通C+，关闭B+，换成CA通电；然后测B相反电势，开通B-，关闭
A-，换成CB通电。经过AB，AC，BC，BA，CA，CB六次换向实现直流无刷电机的连续正转；同理，反电势经过CA, BA, BC, AC, AB, CB六次换向能实现电机的连续反转。
图3 电机运行时各相产生的反电势示意图
2.1.2 反电势过零检测方案
在前面无位置传感器直流无刷电机模型推导的基础上，可以采用如图4所示方法，对无位置传感器直流无刷电机不导通相绕组产生的反电势进行过零检测。图4中的电阻R 起分压作用，明显看出进入比较器LM339正端的A、B、C三相电压与过零点检测相（参考相）电压成两倍关系，对于星形电机绕组，零点是两相通电电压的一半，经过电压比较给出零点信号到单片机，收到信号后再在程序里做换向处理，确保电机正常运行。LM339的出端信号就是所谓的电机转子位置信号，相当于传感器信号，实质是发出换向通知。
承受方面不能满足要求。
MOS管基极驱动采用IR2132，六个输出口控制三相桥，其输入口本应接六个PWM，方便同步和调速。但HT46R64的PWM口不够，而且四路PWM输出无法确保同步，所以利用一个74HC139译码器，内含两个独立的二四译码器，分别控制IR2132输入的高端和低端。74HC139的输入和使能端接单片机，两个二四译码器的使能由一个PWM控制，方便信号同步。PWM数值信号可以从一个电位器上(车用转把)得到，通过A/D采集，再将采进来的模拟电压转换成数值送给PWM，从而达到调速的目的。
另外，在单片机的I/O口装了两个开关，通过各开关状态控制电机的正反转和是否巡航，由电位器（即PWM）控制起/制动。
2.3 行程计量和液晶显示
本设计中行程计量采用纯软件数据处理。由于电动车电机转子在外面，车上的辐条就是固定在转子上的，所以转子转一圈车轮就转一周，所走过的路程就是车轮的周长。这样只要电机转一圈，用内部中断，数据处理部分就做一次加法，通过累加的办法存储总路程数据，然后进行十进制转换，再将转换后的数据写入HT46R64的RAM 1 存储区，就可以在液晶屏上显示行程。其中数据处理部分的加法采用浮点数，因为HT系列单片机不支持小数操作。
3. 控制器结构
3.1 硬件部分
驱动部分：内含两个二四译码器的74HC139的输入端接到单片机HT46R64上，其使能控制位接HT46R64的PWM1，即PD1口，其它输入接普通I/O口，译码器的输出连到IR2132上。IR2132的输入都是低电平有效，以此产生输出电平去驱动MOS管P60N06的栅极，外加48V漏极电压促使MOS管导通，通过这种驱动方法顺序开通各MOS管，以便给直流无刷电机供电。要注意的是IR2132要高于8.9V的电压才能开通，一般采用12V或15V作驱动，其内有欠电压和过电流保护；当电压低于8.9V时，IR2132自动断开不工作，当然整个控制系统也就无法正常工作。
反电势部分：通过电阻取三相反电势电压，将其送到比较器LM339中每个比较器的正端，为减小干扰，正端输入应加电容滤波，过零点电压送给负端。通过比较，若正端电压高于负端，LM339的出端信号为+5V；若正端电压低于负端，LM339的出端信号为0V，从而给出转子位置信号，再在程序里进行换向处理。
LCD显示部分：外接一个液晶屏在HT46R64的SEG0—SEG19脚和4个COM脚上，通过往内部LCD存储区写数即可在屏幕上显示行程，简易直观且便于实现。选择R型偏压，则不需要连接外部电容或电阻，如果VDD大于VLCD引脚上的电压，VMAX应连接到VDD，否则就接到VLCD，这样可以防止因电压太强造成不该亮的液晶段选信号点亮，避免看似乱码的出现；若选择C型偏压，需在单片机的V1与V2之间连接0.1μF滤波电容，C1与C2
用HT-IDE3000仿真效果极佳，制成PCB板见图6，图7，主控板和驱动板之间用跳线连接，若时间允许，一般将两块电路板合在一起制成一个PCB。
图6 主控制板图7 电机驱动板
3. 2 软件部分
打开控制器，程序上电运行，系统进行初始化。初始化程序主要对各控制口设定初置，包括I/O输入输出、A/D转换、PWM控制和中断处理等。初始化完毕，判断控制开关打到正向还是反向，在非巡航模式下，等待车用转把（相当于一个电位器）给定PWM值，开始以低速同步起动，若没给PWM值，一直停在程序开头，电机不会运行。
一旦电机同步起动稳定后，就会有反电势产生，立即跳入反电势运行阶段。在这一阶段，可以对电机进行加速或减速，跟随A/D采集电位器电压给定PWM值，平滑调速，无抖动。众所周知，车用转把是弹簧做的，松手会回弹，如果不加控制，电机就立即停转，为解决这一问题，本控制器加有巡航功能，即PWM值给到一定程度，只要开关指向巡航，电机就以那一时刻采到的转速固定运行，即使转把回弹，电机仍以固定转速正转或反转。所以在巡航模式下，调速不起作用，当取消巡航，就又回到PWM随时改变的状态。
在电机正常运行的同时，记录换向次数。根据电机磁极对数，本控制器所对应的电机换一次向才转过10°，所以换36次向才转过一圈，即正转或反转的顺序导通要循环6次。此时，来一次内部中断，程序跳入行程计量部分，累加一次车轮的周长。
在浮点数累加完毕，有键盘察看判断。若需要察看，立即跳入LCD部分，将累加完的总和转换成十进制数，此处以km为单位，保留一位小数。再调用LCD显示子程序，并使用查表的办法把十进制转换后的结果写入HT46R64单片机的RAM存储区1，即可在液晶屏上显示里程，然后再中断返回到主程序。若不需要察看行程，累加完毕就直接返回主程序了。
注意本控制器主程序里，正反转两部分程序完全对称，只是正转计量行程，反转没有，其它细节处理上没有差别。
系统软件流程图如下：
其中反电势模块流程图如下：
图9 反电势程序流程图
4. HT46R64所用功能
(1)、使用了HT46R64的自带液晶驱动功能，无需任何其它外围电路，只要在存储区1
的空间写数就可以，简单易懂，程序上也容易处理。
(2)、使用了HT46R64的PWM功能，控制74HC139译码器的使能位，用于电机调速。
(3)、PB0作模拟输入口，利用HT46R64的A/D转换功能，便于电位器调速。
(4)、PD4/INT0中断功能，易于低速起动后第一次采到反电势，进入反电势运行。
(5)、看门狗功能[5]，使电机在因检测不到反电势而停转或堵转情况下能返回等待起步阶段，关断电机。而且确保程序不会意外地进入死循环，保证电机正常运行。
(6)、普通I/O口的广泛使用，用于普通输入输出控制信号，可在掩膜里快捷选择是否带上拉电阻。
5. 结论
实验证明，本控制器设计方案具有可行性。反电势检测换向很正常，无级调速系统平滑，有巡航功能，已改以往换档调速；刹车及时，制动柔和，噪音小，完全能实现对无传感器直流无刷电机的基本控制。根据电机所转圈数计量行程，数据处理采用浮点数累加，结果在LCD上体现，简易直观。该控制器成本低廉，操作简单，可靠性高，曾在2007年“盛群”单
片机竞赛中获一等奖。本设计虽在BLDC反电势控制上取得一些进步，但功能仍需完善，IR2132要通过电阻分流设定过流值，遇到异常情况，根据过流值大小判断是否切断电路。
参考文献
[1]A/D with LCD型单片机HT46R62, HT46R63, HT46R64, HT46R65, HT46R66 盛群半导体股份有限公司
[2]张琛.直流无刷电动机原理及应用.机械工业出版社.2004.1
[3]叶金龙等.无刷直流电动机.科学出版社.1991
[4]蔡耀成.无刷直流电动机中的霍尔位置传感器《微特电机》.2000
[5]李齐雄,郑颜雄,蔡孟昌.HOLTEK HT48系列单片机原理及应用实例.北京航空航天大学出版社.2005.4
[6] https://www.doczj.com/doc/3e8224563.html,
The application of HT46R64 in BLDC with sensorless
vehicle controller design
Ran Rong，You Yiming
Automation department of Tianjin Polytechnic University，Tianjin (300160)
Abstract
Sensor DC motor always takes up dominant station in motorbike driving system. Because of its inherence defection, there is an increasing trend to use BLDC motor with sensorless. So the essay will introduce a new design scheme about vehicle control system based on holtek MCU. This controller design may simplify system architecture, reduce cost and increase performance.
Keywords：sensorless，brushless DC motor，back-EMF，motorbike，HT46R64
作者简介：
冉荣，女，硕士研究生，研究方向：微机控制系统
尤一鸣，男，硕士生导师，研究方向：微机控制系统