將無(wú)傳感器BLDC電機(jī)控制引入低成本應(yīng)用

摘要：本文分析了采用無(wú)傳感器BLDC的優(yōu)勢(shì)，及低成本應(yīng)用的具體實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：無(wú)傳感器；BLDC；電機(jī)控制；低成本

DOI: 10.3969/j.issn.1005-5517.2012.9.002

電機(jī)在我們?nèi)粘Ｉ钪械膸缀趺總€(gè)部分發(fā)揮著作用。它們驅(qū)動(dòng)洗碗機(jī)和洗衣機(jī)，使室內(nèi)變得涼爽，并且對(duì)于現(xiàn)代交通工具更是必不可少。無(wú)刷直流(BLDC)電機(jī)已成為許多勻速或變速的高可靠性中高檔系統(tǒng)的選擇。借助幾個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器和一個(gè)控制器，BLDC電機(jī)變得相對(duì)容易控制。如今，BLDC電機(jī)系統(tǒng)已十分常見，但是，大多數(shù)系統(tǒng)仍使用傳感器來(lái)控制電機(jī)。為了降低BLDC系統(tǒng)的成本并提高可靠性，許多設(shè)計(jì)人員希望除去傳感器。無(wú)傳感器系統(tǒng)已出現(xiàn)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間，但在過(guò)去，它們需要昂貴的控制器才能運(yùn)行除去傳感器所需的算法。數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)(例如Microchip 的dsPIC33FJ15MC102，批量訂購(gòu)時(shí)，單價(jià)僅約1美元)使無(wú)傳感器BLDC電機(jī)控制得以大規(guī)模應(yīng)用。

無(wú)傳感器BLDC控制依靠BLDC電機(jī)的特性來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)子位置，并在此位置使電機(jī)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間換向。為了解釋其工作原理，我們回頭看一下BLDC電機(jī)本身以及基本的傳感器控制。從根本上講，BLDC電機(jī)使用勵(lì)磁線圈(稱為定子)在轉(zhuǎn)子(或軸)上產(chǎn)生平行于線圈軸線的磁場(chǎng)，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。在三相BLDC電機(jī)中，定子中的三個(gè)線圈(或相)連續(xù)導(dǎo)通和關(guān)斷使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。為使轉(zhuǎn)子保持旋轉(zhuǎn)，必須在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)位置前導(dǎo)通和關(guān)斷相關(guān)相。為了使轉(zhuǎn)子平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，構(gòu)成電機(jī)的每個(gè)繞組或相都可由多組線圈組成。每相都必須按特定順序?qū)ê完P(guān)斷才能使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子的位置決定了哪相需要導(dǎo)通或關(guān)斷。因此，了解轉(zhuǎn)子位置對(duì)于電機(jī)的運(yùn)行至關(guān)重要，為了使BLDC電機(jī)工作，控制器必須主動(dòng)導(dǎo)通或關(guān)斷這些相。控制器必須將定子內(nèi)的磁場(chǎng)保持在轉(zhuǎn)子之前，以保持轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。獲取轉(zhuǎn)子位置的最簡(jiǎn)單方法是使用霍爾效應(yīng)傳感器，它們可生成脈沖將轉(zhuǎn)子位置通知給控制器。了解轉(zhuǎn)子位置后，基本BLDC控制器只需查找三個(gè)相的哪種模式對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子位置，并將這些相切換到相應(yīng)模式。

依靠傳感器的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常容易，但除去傳感器可降低系統(tǒng)成本并提高可靠性。為了理解無(wú)傳感器算法如何計(jì)算轉(zhuǎn)子位置，我們進(jìn)一步了解一下BLDC電機(jī)的三個(gè)相。

在“梯形”控制中，在任何時(shí)刻都是一相被拉為高電平(+V_BUS)，一相被拉為低電平(-V_BUS)，第三相不活動(dòng)。由于每相的波形都像梯形(見圖1)，“梯形”控制因此而得名。當(dāng)轉(zhuǎn)子經(jīng)過(guò)某相時(shí)，轉(zhuǎn)子上的永磁在該相感應(yīng)出電流，進(jìn)而產(chǎn)生稱為反電動(dòng)勢(shì)(EMF)的電壓。反電動(dòng)勢(shì)取決于每相繞組的匝數(shù)、轉(zhuǎn)子的角速度以及轉(zhuǎn)子永磁場(chǎng)的強(qiáng)度。每相的反電動(dòng)勢(shì)波形與轉(zhuǎn)子位置相關(guān)，因此反電動(dòng)勢(shì)可用于確定轉(zhuǎn)子位置。

有許多不同方法使用反電動(dòng)勢(shì)確定轉(zhuǎn)子位置，其中最常見和最可靠的一種是過(guò)零檢測(cè)。當(dāng)其中一個(gè)反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)轉(zhuǎn)換并過(guò)零點(diǎn)時(shí)，控制器需要切換相的模式。此過(guò)程稱為換向(見圖2)。為使轉(zhuǎn)子保持向前轉(zhuǎn)動(dòng)，在發(fā)生過(guò)零和換向之間的時(shí)間內(nèi)必須進(jìn)行相移，電機(jī)控制器必須計(jì)算和補(bǔ)償該相移。一種實(shí)現(xiàn)過(guò)零的簡(jiǎn)單方法是，假設(shè)每當(dāng)任一相的反電動(dòng)勢(shì)達(dá)到V_BUS/2時(shí)就會(huì)發(fā)生過(guò)零事件。

利用幾個(gè)配置為比較器的運(yùn)放，可輕松實(shí)現(xiàn)該方法。但是，該方法中存在幾個(gè)問(wèn)題。首先，反電動(dòng)勢(shì)通常小于V_BUS，因此過(guò)零事件不一定發(fā)生在V_BUS/2。此外，每相的特性可能不同，因此一個(gè)相的過(guò)零反電動(dòng)勢(shì)電壓可能與其他相的過(guò)零反電動(dòng)勢(shì)電壓不同。最后，這個(gè)過(guò)于簡(jiǎn)單的檢測(cè)方法會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)的反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)出現(xiàn)正負(fù)相移。

在實(shí)際電機(jī)中，過(guò)零閾值電壓變化很大。幸運(yùn)的是，這個(gè)變化的閾值電壓等于電機(jī)中性點(diǎn)電壓，因?yàn)殡姍C(jī)中性點(diǎn)是全部三相反電動(dòng)勢(shì)的平均值。因此，只要任一相的反電動(dòng)勢(shì)等于電機(jī)的中性點(diǎn)，就會(huì)發(fā)生過(guò)零事件且控制器需要換向。這可以通過(guò)電阻和運(yùn)放完成，或者使用控制器自身的ADC模塊和軟件實(shí)現(xiàn)。利用可編程控制器(如dsPIC系列DSC)，每相的反電動(dòng)勢(shì)都可以使用ADC模塊采樣，并且利用三個(gè)反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)的平均值可輕松使用軟件重建中性點(diǎn)。隨后，軟件可將該值與檢測(cè)到的三相的反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行比較，并檢測(cè)過(guò)零事件何時(shí)發(fā)生。發(fā)生過(guò)零事件后，控制器使電機(jī)換向，然后整個(gè)過(guò)程重復(fù)執(zhí)行。因此，通過(guò)使用電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)和檢測(cè)過(guò)零，可從系統(tǒng)中除去傳感器，同時(shí)保持相同的性能水平。

在實(shí)際系統(tǒng)中，無(wú)傳感器運(yùn)行方式還會(huì)遇到其他困難。首先，在低速運(yùn)行時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)非常小，很難檢測(cè)到。因此，在電機(jī)開始快速旋轉(zhuǎn)，快到產(chǎn)生足夠大的反電動(dòng)勢(shì)以在無(wú)傳感器模式下運(yùn)行前，控制器必須猜測(cè)轉(zhuǎn)子位置。可軟件編程的控制器使系統(tǒng)啟動(dòng)方式可根據(jù)特定應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整，從而減少此問(wèn)題的影響。另一個(gè)問(wèn)題是MOSFET的開關(guān)噪聲。由于MOSFET通過(guò)開關(guān)操作來(lái)更改每相的電壓，這會(huì)將噪聲引入到由控制器ADC模塊檢測(cè)的反電動(dòng)勢(shì)中。需要過(guò)濾掉這種噪聲，以精確重建每相的反電動(dòng)勢(shì)。DSC的處理器內(nèi)建DSP引擎，可輕松處理實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波和消除開關(guān)噪聲所需的計(jì)算。其他挑戰(zhàn)來(lái)自特定設(shè)計(jì)的特性。但是，使用可軟件編程的控制器通常會(huì)使這些挑戰(zhàn)更容易解決，就像本文提及的兩個(gè)問(wèn)題的解決方案一樣。

圖1 BLDC電機(jī)繞組和梯形波形

圖2 反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零

圖3 低成本無(wú)傳感器BLDC開發(fā)工具包

通過(guò)示例進(jìn)行研究和實(shí)驗(yàn)使得學(xué)習(xí)新技術(shù)更為容易。專為無(wú)傳感器BLDC控制定制的開發(fā)工具大大簡(jiǎn)化了學(xué)習(xí)過(guò)程并加快了產(chǎn)品開發(fā)。過(guò)去，利用開發(fā)工具學(xué)習(xí)需要付出昂貴的金錢和時(shí)間成本。市場(chǎng)上的新工具正在改變這一局面。例如Microchip的電機(jī)控制入門工具包，其成本低于100美元，而且包括詳細(xì)的應(yīng)用筆記、示例軟件和硬件原理圖(見圖3)。電機(jī)控制器供應(yīng)商(包括Microchip)通常會(huì)在其網(wǎng)站上提供免費(fèi)的軟件和硬件文件，使學(xué)習(xí)過(guò)程更輕松。

總之，隨著電子電機(jī)市場(chǎng)的持續(xù)增長(zhǎng)，對(duì)BLDC電機(jī)系統(tǒng)的需求也將增長(zhǎng)，且成本壓力將上升，基于DSC的無(wú)傳感器技術(shù)正率先滿足這些新需求，解決成本挑戰(zhàn)。