ADC采樣積分方式的BLDC方波無感控制的原理

本文主要參考了TIDA-010031參考設(shè)計，分析下ADC采樣積分方波無感控制的原理，方便大家更好地完成類似的方案設(shè)計。

1.下面是典型的三相BLDC電機(jī)控制框圖

三個半橋驅(qū)動BLDC無刷電機(jī)，檢測低邊總線電流

2.典型的BLDC電機(jī)相電流和反電動勢波形圖分析

從波形上看，每60度電角度，只有兩個半橋有驅(qū)動電壓輸出，另外一個半橋上下管全關(guān)，這個相電壓是懸浮態(tài)。

BLDC電機(jī)運行后，相線都有反電動勢。

電機(jī)反電動勢來源于電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)引起磁通的變化，而磁通的變化在定子繞組上會產(chǎn)生感應(yīng)電壓。

對同一個電機(jī)來說，反電動勢峰值跟電機(jī)轉(zhuǎn)速幾乎是固定的比例。

3.反電動勢過零點到峰值的反電動勢電壓和時間的積分

根據(jù)上面對反電動勢峰值跟轉(zhuǎn)速(電頻率)幾乎成固定比例的描述，設(shè)定 。Vm為反電動勢峰值, 對于同一個電機(jī)，我們可以認(rèn)為Kv幾乎不變。

以上圖左邊的藍(lán)色區(qū)域為例，該區(qū)域(反電動勢過零點時刻到下一次換相點時刻之間的區(qū)域)的電角度是30度，也就是電角度（360度）的1/12。

設(shè)當(dāng)前電機(jī)電頻率為f, 單位為Hz。

反電動勢的峰值電壓為 ,單位為伏特。

設(shè)反電動勢從center tap value到最大值的時間為t1, 而 。

那么藍(lán)色積分區(qū)域的積分值就等于藍(lán)色三角形的面積：

可以看到，積分結(jié)果是Kv值的 ，因此積分結(jié)果也是幾乎不變的。

所以我們可以根據(jù)積分的值跟固定閾值作比較來判斷換相點。

4.ADC如何采樣反電動勢

方波無感BLDC的ADC采樣積分控制，電路設(shè)計有三相相電壓ADC采樣電路，每60度電角度區(qū)間電機(jī)的兩相由于半橋有輸入電壓同時有電感電流，在不增加額外電路的情況下很難獲得反電動勢電壓，而懸浮相由于沒有半橋電壓輸入和電感電流，所以可以從檢測該相端電壓推導(dǎo)出該相實際的反電動勢電壓。

設(shè)計上采用下管常開，上管打PWM的策略驅(qū)動電機(jī)?？紤]到電機(jī)驅(qū)動的PWM duty的大小是變化的，可以根據(jù)半橋上管ON的時間長短來決定采樣策略，因為如果上管導(dǎo)通時間太短，為了避開MOSFET開通關(guān)斷的影響，留給采樣的時間就變得很少，不利于采樣的準(zhǔn)確性.

• 在上管ON的時間比較長時，在上管ON時遠(yuǎn)離MOSFET開關(guān)時刻檢測懸浮相的反電動勢電壓(一般在ON時間的正中間進(jìn)行采樣)。

此時的驅(qū)動邏輯是A相上管導(dǎo)通，B相下管導(dǎo)通, 所以有 。

Ea, Eb, Ec為電機(jī)三相反電動勢電壓，va, vb, vc為三相半橋中點電壓，也就是電機(jī)三相輸入電壓。

La, Lb, Lc為電機(jī)三相相電感，ia, ib,ic為電機(jī)三相輸入電流，Ra, Rb, Rc為電機(jī)三相輸入電阻(考慮三相電阻相等), vn為電機(jī)三相中點電壓。

可以得到當(dāng)Ec=0，也就是反電動勢過零時，， 也就是說當(dāng)ADC檢測到時，就意味著這個時刻是C相的反電動勢過零點， 那么理論上再經(jīng)過1/12 的電周期時間，電機(jī)就需要進(jìn)行換向.

• 上管ON的時間比較短時，在上管OFF時檢測懸浮相的反電動勢電壓(一般在OFF時間的正中間進(jìn)行采樣)

此時的驅(qū)動邏輯是A相上管關(guān)閉，B相下管仍導(dǎo)通,此時A相下管MOSFET體二極管續(xù)流，所以有。

得到當(dāng)Ec=0，也就是反電動勢過零時,vc=0， 也就是說當(dāng)ADC檢測到vc=0時，就意味著這個時刻是C相的反電動勢過零點， 那么理論上再經(jīng)過1/12的電周期時間，電機(jī)就需要進(jìn)行換向.

從上面的分析，我們可以看到，使用ADC采樣積分方式進(jìn)行無感BLDC控制，設(shè)計上需要注意以下幾點：

● 積分閾值跟電機(jī)的反電動勢峰值和轉(zhuǎn)速比值相關(guān)，可能會隨著電機(jī)不同而不同，需要針對電機(jī)進(jìn)行調(diào)整。

● 上管做PWM驅(qū)動的設(shè)計下， 可以采用不同的ADC采樣策略來針對大duty和小duty的情況，同時反電動勢過零點的判斷也需要調(diào)整

● 電機(jī)高速情況下，電頻率相對比較高，而ADC積分采樣基于PWM開關(guān)周期采樣的，所以要獲得比較準(zhǔn)確的換相點，需要比較高的開關(guān)頻率，如果開關(guān)頻率比較低，意味著采樣速率慢，可能會造成換相延遲比較大，從而影響電機(jī)的正?？刂?。