將無傳感器BLDC電機控制引入低成本應用

摘要：本文分析了采用無傳感器BLDC的優勢，及低成本應用的具體實現方法。

關鍵詞：無傳感器；BLDC；電機控制；低成本

DOI: 10.3969/j.issn.1005-5517.2012.9.002

電機在我們日常生活中的幾乎每個部分發揮著作用。它們驅動洗碗機和洗衣機，使室內變得涼爽，并且對于現代交通工具更是必不可少。無刷直流(BLDC)電機已成為許多勻速或變速的高可靠性中高檔系統的選擇。借助幾個霍爾效應傳感器和一個控制器，BLDC電機變得相對容易控制。如今，BLDC電機系統已十分常見，但是，大多數系統仍使用傳感器來控制電機。為了降低BLDC系統的成本并提高可靠性，許多設計人員希望除去傳感器。無傳感器系統已出現相當長一段時間，但在過去，它們需要昂貴的控制器才能運行除去傳感器所需的算法。數字信號控制器(DSC)(例如Microchip 的dsPIC33FJ15MC102，批量訂購時，單價僅約1美元)使無傳感器BLDC電機控制得以大規模應用。

無傳感器BLDC控制依靠BLDC電機的特性來計算轉子位置，并在此位置使電機在適當的時間換向。為了解釋其工作原理，我們回頭看一下BLDC電機本身以及基本的傳感器控制。從根本上講，BLDC電機使用勵磁線圈(稱為定子)在轉子(或軸)上產生平行于線圈軸線的磁場，使轉子旋轉并產生轉矩。在三相BLDC電機中，定子中的三個線圈(或相)連續導通和關斷使轉子旋轉并產生轉矩。為使轉子保持旋轉，必須在轉子旋轉到相應位置前導通和關斷相關相。為了使轉子平穩旋轉，構成電機的每個繞組或相都可由多組線圈組成。每相都必須按特定順序導通和關斷才能使轉子旋轉。轉子的位置決定了哪相需要導通或關斷。因此，了解轉子位置對于電機的運行至關重要，為了使BLDC電機工作，控制器必須主動導通或關斷這些相。控制器必須將定子內的磁場保持在轉子之前，以保持轉子旋轉。獲取轉子位置的最簡單方法是使用霍爾效應傳感器，它們可生成脈沖將轉子位置通知給控制器。了解轉子位置后，基本BLDC控制器只需查找三個相的哪種模式對應于轉子位置，并將這些相切換到相應模式。

依靠傳感器的運行實現起來非常容易，但除去傳感器可降低系統成本并提高可靠性。為了理解無傳感器算法如何計算轉子位置，我們進一步了解一下BLDC電機的三個相。

在“梯形”控制中，在任何時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。由于每相的波形都像梯形(見圖1)，“梯形”控制因此而得名。當轉子經過某相時，轉子上的永磁在該相感應出電流，進而產生稱為反電動勢(EMF)的電壓。反電動勢取決于每相繞組的匝數、轉子的角速度以及轉子永磁場的強度。每相的反電動勢波形與轉子位置相關，因此反電動勢可用于確定轉子位置。

有許多不同方法使用反電動勢確定轉子位置，其中最常見和最可靠的一種是過零檢測。當其中一個反電動勢信號轉換并過零點時，控制器需要切換相的模式。此過程稱為換向(見圖2)。為使轉子保持向前轉動，在發生過零和換向之間的時間內必須進行相移，電機控制器必須計算和補償該相移。一種實現過零的簡單方法是，假設每當任一相的反電動勢達到V_BUS/2時就會發生過零事件。

利用幾個配置為比較器的運放，可輕松實現該方法。但是，該方法中存在幾個問題。首先，反電動勢通常小于V_BUS，因此過零事件不一定發生在V_BUS/2。此外，每相的特性可能不同，因此一個相的過零反電動勢電壓可能與其他相的過零反電動勢電壓不同。最后，這個過于簡單的檢測方法會導致檢測的反電動勢信號出現正負相移。

在實際電機中，過零閾值電壓變化很大。幸運的是，這個變化的閾值電壓等于電機中性點電壓，因為電機中性點是全部三相反電動勢的平均值。因此，只要任一相的反電動勢等于電機的中性點，就會發生過零事件且控制器需要換向。這可以通過電阻和運放完成，或者使用控制器自身的ADC模塊和軟件實現。利用可編程控制器(如dsPIC系列DSC)，每相的反電動勢都可以使用ADC模塊采樣，并且利用三個反電動勢信號的平均值可輕松使用軟件重建中性點。隨后，軟件可將該值與檢測到的三相的反電動勢進行比較，并檢測過零事件何時發生。發生過零事件后，控制器使電機換向，然后整個過程重復執行。因此，通過使用電機的反電動勢和檢測過零，可從系統中除去傳感器，同時保持相同的性能水平。

在實際系統中，無傳感器運行方式還會遇到其他困難。首先，在低速運行時，反電動勢非常小，很難檢測到。因此，在電機開始快速旋轉，快到產生足夠大的反電動勢以在無傳感器模式下運行前，控制器必須猜測轉子位置。可軟件編程的控制器使系統啟動方式可根據特定應用進行調整，從而減少此問題的影響。另一個問題是MOSFET的開關噪聲。由于MOSFET通過開關操作來更改每相的電壓，這會將噪聲引入到由控制器ADC模塊檢測的反電動勢中。需要過濾掉這種噪聲，以精確重建每相的反電動勢。DSC的處理器內建DSP引擎，可輕松處理實現數字濾波和消除開關噪聲所需的計算。其他挑戰來自特定設計的特性。但是，使用可軟件編程的控制器通常會使這些挑戰更容易解決，就像本文提及的兩個問題的解決方案一樣。

圖1 BLDC電機繞組和梯形波形

圖2 反電動勢過零

圖3 低成本無傳感器BLDC開發工具包

通過示例進行研究和實驗使得學習新技術更為容易。專為無傳感器BLDC控制定制的開發工具大大簡化了學習過程并加快了產品開發。過去，利用開發工具學習需要付出昂貴的金錢和時間成本。市場上的新工具正在改變這一局面。例如Microchip的電機控制入門工具包，其成本低于100美元，而且包括詳細的應用筆記、示例軟件和硬件原理圖(見圖3)。電機控制器供應商(包括Microchip)通常會在其網站上提供免費的軟件和硬件文件，使學習過程更輕松。

總之，隨著電子電機市場的持續增長，對BLDC電機系統的需求也將增長，且成本壓力將上升，基于DSC的無傳感器技術正率先滿足這些新需求，解決成本挑戰。