1概述
无位置传感的无刷直流马达（Motor，BLDCM）因为其快速、可靠性高、体积小、重量轻等特性，在航模领域得到了广泛的应用。并且与有刷马达和有位置传感的无刷直流马达相比，其控制算法要复杂得多。加上航模设计中对重量和容积的要求十分严格，因而要求硬件电路尽可能简单，更降低了软件的难度。
本文提出了一种基于中颖8位单片机的控制方案，利用于该芯片片内集成的针对马达控制的功能模块，只需极少的外围电路即可搭建控制系统，实现基于反电动势法的无位置传感BLDC控制，在保证稳定性和可靠性的基础上大大增加了系统成本。并且该芯片与传统8051完全兼容，便于上手，因而也增加了研制成本。
2系统硬件设计
本方案选用中颖的8位单片机做为主控芯片。该芯片采用优化的单机器周期8051核，外置16KFLASH储存器反电动势，兼容传统8051所有硬件资源，采用JTAG仿真方法，外置16.6M振荡器，同时扩充了如下功能：
·双DPTR表针。16位x8乘法器和16位/8除法器。
·3通道12位带死区控制PWM，6路输出，输出极性可设为中心或边缘对齐模式；同时集成故障检查功能，可瞬时关掉PWM输出；
·7通道10位ADC模块；
·内置放大器和比较器，可用作电压放大取样和过流保护；
·增强的外部中断，提供4种触发形式；
·提供硬件抗干扰举措；
·Flash自编程功能，便捷储存参数；
主系统硬件构架如图1所示，从图中可以看出该系统大部份功能都由片内集成的模块完成。外围电路的简化一方面可以提升系统可靠性，另一方面也增加了成本。
图1系统硬件构架
单相逆变桥采用上桥PMOS用二极管驱动，下桥NMOS用PWM端口直接驱动的形式，如图2所示。
图2单相逆变桥
片内集成了三通道6路PWM端口，可分别独立配置为PWM输出或则IO输出。将PWM01~PWM21配置为PWM输出，直接驱动单相逆变桥的下桥；PWM0~PWM2配置为IO端口，经过晶体管反相电路后驱动单相逆变桥的上桥。
外部中断输入INT4x配置为双沿触发，即输入讯号的上升沿和增长沿都能触发中断，可用于捕捉调速给定讯号。
3系统软件设计
因为的硬件早已完成了大量的任务，软件的部份相对简化好多。主程序流程图如图3所示。
图3主程序流程图
为易于理解，该流程图经过了尽量的简化，只保留最关键的步骤。主流程中没有列举“检测BEMF”和“换相”两个关键的步骤，由于它们分别在PWM中断和中断中进行。
3.1反电动势过零点检查
在PWM输出高期间，假定断掉相定子端电流为，反电动势为，供电电流为，则两者之间有如下关系：
提供PWM周期中断和铁损中断。当周期中断发生时不断检查断掉相的端电流，并与比较，直至检查到过零点或则PWM输出低（按照PWM信噪比中断标志位判定），即可实现在PWM输出高期间的反电动势过零点监测。每次换相后就切换到另一个通道，检查下一个断掉相的端电流，这般循环，实现实时监测。
须要注意是刚换相后的一段时间内，因为MOS管的续流，断掉相定子的电流会出现尖峰。为了确切测量反电动势，可以选择在刚换相的一到两个PWM周期内不进行取样，避免尖峰电流。
3.2起动算法
BLDC马达的反电动势和怠速正相关，在起动和低速运行阶段反电动势，马达形成的反电动势为零或很小，因而常常须要经过一段强制加速，使反电动势上升到才能测量过零点的水平。
航模马达通常在较低速时即会形成比较显著的反电动势，这个特征为起动提供了很大的便利。先给马达任意两相通电，使马达获得一个初速率，这时测量断掉相电流并等待其发生过零。若测量到过零点则换相，若经过较长一段时间还没有检查到过零则强制换相，重复这个过程直到马达稳定运行。这些起动方法，不但实现简单，但是稳定可靠。
3.3换相估算
通常在用反电动势法进行BLDC控制的时侯，须要对每两次换相的间隔时间进行计时，得到60°电角度时间，之后乘以2作为测量到过零点后30°延时的定时值。这就须要用到两个定时器/计数器，一个用作计数器对每两次换相的间隔进行计数，另一个用作定时器实现30°延时。本方案中为了节约timer资源，用一个timer同时完成两项功能。
在每次换相后，测量到该通电状态下的过零点之间，用作计数器；在测量到过零点过后，之前的计数值即为30°电角度，将其作为定时值放入，用作定时器开始定时。定时时间到后，在中断中进行换相。之后又用作计数器，这般循环。正常情况下，因为马达怠速很高，每次换相到测量到过零点之间的时间很短，在计数模式下不会发生中断。若在计数模式时发生中断，必然是计数溢出，说明马达经过较长的时间还没有检查到过零点，而这可以作为马达堵转的标志。依据实际情况，可对在计数模式下连续发生中断的次数进行计数，超过一定值即觉得发生堵转。这样，还实现了堵转保护的功能。
4系统测试及总结
图4~6分别为PWM转矩约为20%、50%和100%时，在马达运转过程中用示波器捕捉到的各相电流和过零点位置波形。
图4PWM信噪比为20%
图5PWM信噪比为50%
图6PWM信噪比为100%
各图中最上方的方波中每位高低翻转的位置即对应程序中测量到过零点的时刻，下边三个矩形波分别为A、B、C单相的端电流。由图中可以看出PWM信噪比越高时系统运行越稳定。本系统经测试在PWM转矩低至8%时能够稳定运行。