將無(wú)傳感器BLDC 電機(jī)控制引入低成本應(yīng)用

電機(jī)在我們?nèi)粘Ｉ钪械膸缀趺總€(gè)部分都發(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(jiàn)，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dsPIC33FJ16MC102，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?？刂破鞅仨殞⒍ㄗ觾?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（+VBUS），一相被拉為低電平（-VBUS），第三相不活動(dòng)。由于每相的波形都像梯形（見(jiàn)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。


圖1：BLDC電機(jī)繞組和梯形波形


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(jiàn)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(jiàn)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VBUS/2時(shí)就會(huì)發(fā)生過(guò)零事件。