無(wú)霍爾BLDC電機(jī)控制

一、前言

無(wú)霍爾的BLDC控制方案與有霍爾BLDC的基本原理相似，都是用所謂“六步換向法”，根據(jù)轉(zhuǎn)子當(dāng)前的位置，按照一定的順序給定子繞組通電使BLDC電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。所不同的是無(wú)霍爾BLDC不需要霍爾效應(yīng)傳感器，通過(guò)檢測(cè)定子繞組的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)來(lái)判斷轉(zhuǎn)子當(dāng)前的位置。與有霍爾的方案相比，最明顯的優(yōu)點(diǎn)就是降低了成本、減小了體積。且電機(jī)引線從8根變?yōu)?根，使接線調(diào)試都大為簡(jiǎn)化。另外，霍爾傳感器容易受溫度和磁場(chǎng)等外界環(huán)境的影響，故障率較高。因此，無(wú)霍爾BLDC得到越來(lái)越多的應(yīng)用，在很多場(chǎng)合正逐步取代有霍爾BLDC。

本文介紹三相BLDC電機(jī)的無(wú)霍爾控制理論。根據(jù)特定的應(yīng)用場(chǎng)合，具體的實(shí)現(xiàn)方法會(huì)有所不同。

二、BLDC電機(jī)結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)方式簡(jiǎn)介

一個(gè)簡(jiǎn)單的BLDC的構(gòu)造如圖1所示。電機(jī)外層是定子，包含電機(jī)繞組。多數(shù)BLDC都有三個(gè)Y型連接的繞組，這些繞組中的每一個(gè)都是由許多線圈互連組成的。電機(jī)內(nèi)部是轉(zhuǎn)子，由圍繞電機(jī)圓周的磁性相反的磁極組成。圖1顯示了僅帶有兩個(gè)磁極（南北磁極）的轉(zhuǎn)子，在實(shí)際應(yīng)用中，大多數(shù)電機(jī)的轉(zhuǎn)子具有多對(duì)磁極。

圖1 BLDC基本結(jié)構(gòu)[1]

BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的基本模型如圖2所示。通過(guò)開(kāi)關(guān)管Q0~Q5來(lái)控制電機(jī)三相繞組的通電狀態(tài)，開(kāi)關(guān)管可以為IGBT或者功率MOS管。其中位于上方即與電源正端連接的開(kāi)關(guān)管稱為“上橋”，下方即與電源負(fù)端連接的開(kāi)關(guān)管稱為“下橋”。

圖2 BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路基本模型[2]

例如，若Q1、Q4打開(kāi)，其它開(kāi)關(guān)管都關(guān)閉，則電流從電源正端經(jīng)Q1、A相繞組、C相繞組、Q4流回電源負(fù)端。流過(guò)A、C相定子繞組的電流會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，由右手定則可知其方向與B相繞組平行。由于轉(zhuǎn)子是永磁體，在磁場(chǎng)力的作用下會(huì)向著與定子磁場(chǎng)平行的方向旋轉(zhuǎn)，即轉(zhuǎn)到與B相繞組平行的位置，使轉(zhuǎn)子的北磁極與定子磁場(chǎng)的南磁極對(duì)齊。

類似地，打開(kāi)不同的上、下橋臂MOS管組合，就可控制電流的流向，產(chǎn)生不同方向的磁場(chǎng)，使永磁體轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到指定的位置。要使BLDC電機(jī)按指定的方向連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，就必須按一定的順序給定子繞組通電。從一種通電狀態(tài)到另一種通電狀態(tài)的切換稱為“換相”，例如從AB通電變化到AC通電。換相使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到下一個(gè)位置。上下橋臂各3個(gè)開(kāi)關(guān)管，共六種組合，因此每60°變化一次， 經(jīng)過(guò)六步換相就能使電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)電氣周期。這就是所謂的“六步換相法”。

要使轉(zhuǎn)子具有最大的轉(zhuǎn)矩，理想的情況是使定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向垂直。但是實(shí)際上由于定子磁場(chǎng)方向每60°才變化一次，而轉(zhuǎn)子在一直不停旋轉(zhuǎn)，不可能時(shí)刻使它們保持90°的相位差。最優(yōu)化的方法就是在每次換相時(shí)使定子磁場(chǎng)領(lǐng)先轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向120°電角度，這樣在接下來(lái)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)60°的過(guò)程中，定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向的夾角從120°變化到60°，轉(zhuǎn)矩的利用率最高。

為了確定按照通電順序哪一個(gè)繞組將得電，必須知道轉(zhuǎn)子當(dāng)前的位置。在有霍爾的BLDC中，轉(zhuǎn)子的位置由定子中嵌入的霍爾效應(yīng)傳感器檢測(cè)。無(wú)霍爾BLDC電機(jī)不借助位置傳感器，而是利用電機(jī)本身的特征信號(hào)來(lái)取得與位置傳感器類似的效果，其中應(yīng)用最多的就是本文下一節(jié)要介紹的反電動(dòng)勢(shì)法。

三、反電動(dòng)勢(shì)法控制BLDC電機(jī)的原理

BLDC電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，永磁體轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)在電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，每相繞組都會(huì)感應(yīng)出反電動(dòng)勢(shì)（BEMF，BackElectromotiveForce）。BLDC電機(jī)的BEMF波形隨轉(zhuǎn)子的位置和速度變化，整體上呈現(xiàn)為梯形。

圖3給出了電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)電周期中電流和反電動(dòng)勢(shì)的波形，其中的實(shí)線代表電流，虛線代表反電動(dòng)勢(shì)，橫坐標(biāo)為電機(jī)旋轉(zhuǎn)的電氣角度，根據(jù)BLDC的“六步換向”控制理論，我們知道在任意時(shí)刻三相BLDC只有兩相通電，另一相開(kāi)路，三相兩兩通電，共有六種組合，以一定的順序每60°變化一次，這樣產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，拉動(dòng)永磁體轉(zhuǎn)子隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。這里的60°指的是電氣角度，一個(gè)電周期可能并不對(duì)應(yīng)于一個(gè)完整的轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)周期。完成一圈機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)要重復(fù)的電周期數(shù)取決于轉(zhuǎn)子的磁極對(duì)數(shù)。每對(duì)轉(zhuǎn)子磁極需要完成一個(gè)電周期，因此，電周期數(shù)/轉(zhuǎn)數(shù)等于轉(zhuǎn)子磁極對(duì)數(shù)。

圖3 BLDC電機(jī)電流和反電動(dòng)勢(shì)波形

控制BLDC的關(guān)鍵就是確定換相的時(shí)刻。從圖3中可以看出，在每?jī)蓚€(gè)換相點(diǎn)的中間都對(duì)應(yīng)一個(gè)反電動(dòng)勢(shì)的極性改變的點(diǎn)，即反電動(dòng)勢(shì)從正變化為負(fù)或者從負(fù)變化為正的點(diǎn)，稱為過(guò)零點(diǎn)。利用反電動(dòng)勢(shì)的這個(gè)特性，只要我們能夠準(zhǔn)確檢測(cè)出反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)，將其延遲30°，即為需要換相的時(shí)刻。

四、反電動(dòng)勢(shì)的檢測(cè)方法

從圖3中可以看出，每次的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)都發(fā)生在不通電的那一相。例如圖3中第一個(gè)60°內(nèi)，A相電流為正，B相電流為負(fù)，C相電流為零，這說(shuō)明電機(jī)AB相通電，電流從A相流入B相，C相為開(kāi)路。反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)正好出現(xiàn)在C相。而且由于C相不通電，沒(méi)有電流，其相電壓就與反電動(dòng)勢(shì)有直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此只要在每個(gè)60°內(nèi)檢測(cè)不通電那一相的電壓，即可檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)。

4.1 重構(gòu)虛擬中性點(diǎn)

由于BLDC電機(jī)的Y形連接，三相都接到公共的中性點(diǎn)，相電壓無(wú)法直接測(cè)量。只能測(cè)量各相的端電壓，即各相對(duì)地的電壓，然后與中性點(diǎn)電壓比較，當(dāng)端電壓從大于中性點(diǎn)電壓變?yōu)樾∮谥行渣c(diǎn)電壓，或者從小于中性點(diǎn)電壓變?yōu)榇笥谥行渣c(diǎn)電壓，即為過(guò)零點(diǎn)。原理圖如圖4(a)所示。

圖4 檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)

但是一般的BLDC電機(jī)都沒(méi)有中性點(diǎn)的外接引線，因此無(wú)法直接測(cè)量中性點(diǎn)電壓。解決這個(gè)問(wèn)題最直接的辦法就是重構(gòu)一個(gè)“虛擬中性點(diǎn)”，通過(guò)將三相繞組分別通過(guò)阻值相等的電壓連接到一個(gè)公共點(diǎn)而成，這個(gè)公共點(diǎn)就是虛擬中性點(diǎn)，如圖4(b)所示。

重構(gòu)虛擬中性點(diǎn)的方法有一定的實(shí)用性，但是也有很大的不足。由于BLDC電機(jī)是用PWM方式驅(qū)動(dòng)，PWM在一個(gè)周期內(nèi)先輸出“ON”后，輸出“OFF”；當(dāng)PWM為“ON”時(shí)電機(jī)繞組通電，為“OFF”時(shí)關(guān)斷。于是加在電機(jī)繞組兩

端的電壓不斷地在高電平和低電平之間切換，其中性點(diǎn)電壓中包含了大量的開(kāi)關(guān)噪聲。若對(duì)中性點(diǎn)電壓進(jìn)行濾波，一方面增加了電路的復(fù)雜度，另一方面濾波電路會(huì)造成信號(hào)的相移，使檢測(cè)到的過(guò)零點(diǎn)比實(shí)際發(fā)生的時(shí)刻后移，無(wú)法準(zhǔn)確地指導(dǎo)換向。

4.2 在PWMON區(qū)間對(duì)反電動(dòng)勢(shì)采樣

實(shí)際上，如果我們只在PWM為“ON”區(qū)間進(jìn)行反電動(dòng)勢(shì)的采樣，則不用直接檢測(cè)中性點(diǎn)電壓，而可以用總端電壓的一半來(lái)代替。推導(dǎo)過(guò)程如下。

圖5 PWM ON區(qū)間的中性點(diǎn)電壓

假設(shè)采用H-PWM-L-OM的調(diào)制方式（詳見(jiàn)5.2節(jié)：PWM調(diào)制方式），即上橋臂采用PWM調(diào)制，下橋臂恒通，圖5為PWM為“ON”時(shí)簡(jiǎn)化的BLDC電機(jī)等效電路，電機(jī)的每相都等效為一個(gè)電阻、電感和反電動(dòng)勢(shì)的串聯(lián)。假設(shè)當(dāng)前

為AB通電，電流從A相流入B相，C相開(kāi)路。vdc為直流母線電壓，va、vb、vc分別為A、B、C相的端電壓，vn為中性點(diǎn)電壓，ea、eb、ec分別為A、B、C相的反電動(dòng)勢(shì)。

對(duì)A相列電壓回路方程：

對(duì)B相列電壓回路方程：

其中Vmos為MOS管上的壓降。以上兩式相加得：

于三相平衡的系統(tǒng)，若忽略三次諧波，有

將(5.2.4)代入(5.2.3)得

于是可得C相端電壓為

由上式可以看出，不通電相的端電壓由該相的反電動(dòng)勢(shì)疊加在vdc/2上而形成，因此可以通過(guò)比較不通電相的端電壓與vdc/2的大小來(lái)檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)。用這種方法避免了開(kāi)關(guān)噪聲的影響，因此也無(wú)需增加濾波電路。

為了避免PWM剛由“OFF”變?yōu)椤癘N”時(shí)會(huì)出現(xiàn)的尖峰電壓，一般在PWM進(jìn)入“ON”狀態(tài)后再延時(shí)一段時(shí)間再進(jìn)行反電動(dòng)勢(shì)采樣，如圖6所示。這個(gè)功能用SH79F168的PWM的中心對(duì)齊模式可以很方便地實(shí)現(xiàn)。在中心對(duì)齊模式下，PWM的周期中斷發(fā)生在“ON”狀態(tài)的中間位置。于是我們可以把PWM設(shè)為中心對(duì)齊模式，然后在周期中斷中進(jìn)行反電動(dòng)勢(shì)采樣。

圖6在PWM為“ON”時(shí)采樣

但是這種方法有一個(gè)不足，就是PWM的占空比不能太小，否則PWM為“ON”的時(shí)間太短，來(lái)不及進(jìn)行AD采樣，從而無(wú)法準(zhǔn)確判斷過(guò)零點(diǎn)，使電機(jī)的換相發(fā)生錯(cuò)亂，無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在電機(jī)進(jìn)入閉環(huán)控制后，PWM占空比越小轉(zhuǎn)速越低，因此這種方法不適用于要求實(shí)現(xiàn)極低轉(zhuǎn)速的場(chǎng)合?，F(xiàn)實(shí)中要求電機(jī)能進(jìn)行極低速運(yùn)轉(zhuǎn)的場(chǎng)合不多，所以這種方法也能適用于大多數(shù)應(yīng)用。

還有一個(gè)要注意的問(wèn)題，就是剛換相后的一段時(shí)間內(nèi)，若當(dāng)前斷開(kāi)相繞組在換相前是接電源正端，則其端電壓在剛換相的瞬間會(huì)迅速降落至電源負(fù)端電壓，形成一個(gè)向下的尖峰；若當(dāng)前斷開(kāi)相繞組在換相前是接電源負(fù)端，則其端電壓在

剛換相的瞬間會(huì)迅速升高到電源正端電壓，形成一個(gè)向上的尖峰。這種現(xiàn)象在

PWM占空比越大時(shí)越明顯，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，如圖7所示。

圖7 換相瞬間的電壓尖峰

產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，在剛換相的瞬間，由于電機(jī)繞組的電感效應(yīng)，斷開(kāi)相繞組內(nèi)的電流不會(huì)馬上消失，根據(jù)電流的方向不同，會(huì)通過(guò)上橋臂或下橋臂的開(kāi)關(guān)管的體二極管進(jìn)行續(xù)流，持續(xù)一段時(shí)間才消失。電流越大，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)。以圖5為例，若電機(jī)從圖示中的AB通電切換到AC通電，B相繞組斷開(kāi)，上下橋臂的開(kāi)關(guān)管都關(guān)閉。當(dāng)時(shí)B相繞組中從中性點(diǎn)流入的電流不會(huì)馬上消失，于是通過(guò)上橋臂的體二極管續(xù)流，與電源正端短路，于是會(huì)出現(xiàn)一個(gè)正的尖峰；類似地，若電機(jī)從圖示狀態(tài)切換到CB通電，A組上下橋臂的開(kāi)關(guān)管都關(guān)閉，根據(jù)電流的方向，只能通過(guò)下橋臂體二極管續(xù)流，與電源負(fù)端短路，于是出現(xiàn)一個(gè)負(fù)的尖峰。電流越大，續(xù)流時(shí)間越長(zhǎng)，尖峰越寬。

顯然，在剛換相的PWM周期采樣的話，很可能受到這個(gè)尖峰電壓的影響，不能反映正確的反電動(dòng)勢(shì)。因此可以根據(jù)PWM占空比的大小，選擇在剛換相 的一到兩個(gè)PWM周期內(nèi)不進(jìn)行采樣，避開(kāi)尖峰電壓。

4.3 在PWMOFF區(qū)間對(duì)反電動(dòng)勢(shì)采樣

若要求能在極低速下電機(jī)也能運(yùn)轉(zhuǎn)，則可以采用在PWM OFF區(qū)間對(duì)反電動(dòng)勢(shì)采樣的方法。

要了解下面的內(nèi)容，首先要對(duì)開(kāi)關(guān)管的結(jié)構(gòu)有一個(gè)基本的認(rèn)識(shí)。不論是IGBT還是功率MOS管，在其C極和E極（或者D極和S極）之間都有一個(gè)反向并聯(lián)的二極管，稱為體二極管，如圖2中的開(kāi)關(guān)管所示。

圖8 PWM OFF區(qū)間的中性點(diǎn)電壓

當(dāng)驅(qū)動(dòng)端的PWM由圖5所示的ON狀態(tài)切換到圖8所示的OFF狀態(tài)時(shí)，由于電機(jī)繞組的電感效應(yīng)，繞組內(nèi)的電流不會(huì)馬上消失，于是經(jīng)過(guò)下橋臂MOS管的體二極管續(xù)流形成回路，如圖8所示。若忽略二極管的壓降，對(duì)A相列回路方程有：

對(duì)B相列回路方程：

對(duì)于三相平衡的系統(tǒng)，若忽略高次諧波，有

以上三式相加得

于是得C相端電壓為

因此，在PWM OFF區(qū)間對(duì)斷開(kāi)相繞組的端電壓進(jìn)行采樣，所得電壓值與反電動(dòng)勢(shì)的大小成比例，其過(guò)零點(diǎn)也直接反映了反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)。

由于這種方法需要一定的PWM OFF區(qū)間進(jìn)行采樣，因此在PWM DUTY為100%時(shí)不能實(shí)施，即電機(jī)不能達(dá)到滿速。另外，在PWM剛進(jìn)入OFF狀態(tài)時(shí)，由于下橋臂MOS管的體二極管的續(xù)流，斷開(kāi)相的電壓會(huì)被鉗在-0.7V，因此也要先延時(shí)一段時(shí)間再進(jìn)行采樣，這增大了軟件實(shí)現(xiàn)的難度。

為了有充足的采樣時(shí)間，一般在PWM占空比較大時(shí)在PWM ON區(qū)間采樣，在PWM占空比很小時(shí)在PWM OFF區(qū)間采樣。但是當(dāng)PWM占空比很小時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速較低，反電動(dòng)勢(shì)也會(huì)很小，因此檢測(cè)的精度會(huì)受到限制。

五、閉環(huán)調(diào)速

只要能準(zhǔn)確地檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)，就能方便地進(jìn)行閉環(huán)調(diào)速。

5.1 閉環(huán)的建立

每一相的反電動(dòng)勢(shì)都有兩種過(guò)零情況：從正變?yōu)樨?fù)和從負(fù)變?yōu)檎?。三相共有六種過(guò)零情況，對(duì)應(yīng)六種換相狀態(tài)，且這種對(duì)應(yīng)關(guān)系是固定不變的。于是我們可以首先將這個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系寫(xiě)入一個(gè)表中，程序中每檢測(cè)到一個(gè)過(guò)零點(diǎn)，就通過(guò)查表來(lái)決定相應(yīng)的IO輸出，控制下一步哪兩相通電；然后切換到當(dāng)前的斷開(kāi)相繼續(xù)檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)，如此循環(huán)，直至建立穩(wěn)定的閉環(huán)。

理論上，過(guò)零點(diǎn)總是超前換相點(diǎn)30°電角度，如圖3所示。因此在檢測(cè)到過(guò)零點(diǎn)后，要先延遲30°電角度再換相。但是在閉環(huán)調(diào)速過(guò)程中，電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)電氣周期的時(shí)間不是固定不變的，我們無(wú)法預(yù)測(cè)在檢測(cè)到過(guò)零點(diǎn)后接下來(lái)的這30°電角度是多長(zhǎng)時(shí)間。那么在檢測(cè)到過(guò)零點(diǎn)之后，怎樣決定延時(shí)時(shí)間呢？

雖然我們無(wú)法預(yù)測(cè)接下來(lái)的30°電角度是多長(zhǎng)，但是剛剛過(guò)去的這個(gè)換相周期即兩個(gè)換相點(diǎn)之間60°電角度的長(zhǎng)度是可以測(cè)量的。在每次換相時(shí)將timer清零，在下一次換相時(shí)讀取的timer值就是這個(gè)換相周期的長(zhǎng)度。于是我們可以采用近似的辦法，用上一個(gè)換相周期，即60°電角度的時(shí)間減半，作為接下來(lái)的30°電角度延時(shí)時(shí)間。這種方法是可行的，因?yàn)殡姍C(jī)的轉(zhuǎn)速是漸變的，相鄰兩個(gè)換相周期的時(shí)間相差不會(huì)很大。

5.2 PWM調(diào)制方式

電機(jī)進(jìn)入閉環(huán)后，只要通過(guò)調(diào)節(jié)PWM的占空比即可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。電機(jī)各繞組的通電和判斷都用PWM端口控制，PWM占空比大時(shí)，流過(guò)電機(jī)繞組的電流大，定子磁場(chǎng)就強(qiáng)，轉(zhuǎn)速就高；反之PWM占空比小時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速就低。

PWM調(diào)制方式有兩種：全橋調(diào)制和半橋調(diào)制。在120°導(dǎo)通期間，對(duì)功率逆變橋的上橋和下橋都采用PWM方式驅(qū)動(dòng)，即“全橋調(diào)制”；在120°導(dǎo)通期間，只對(duì)功率逆變橋的上橋（或者下橋）采用PWM方式驅(qū)動(dòng)，下橋（或上橋）恒通，稱為“半橋調(diào)制”。

全橋調(diào)制下MOS管的開(kāi)關(guān)頻率是半橋調(diào)制方式的兩倍左右，損耗比較大，因而很少用到。半橋調(diào)制方式又有H-PWM-L-ON（在120°導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)（下同），上橋臂MOS管用PWM調(diào)制，下橋臂MOS管恒通）、H-ON-L-PWM（上橋臂MOS管恒通，下橋臂MOS管用PWM調(diào)制）、PWM-ON（前60°PWM，后60°恒通）、ON-PWM（前60°恒通，后60°PWM）等多種，各有其特點(diǎn)，可根

據(jù)具體電路和應(yīng)用場(chǎng)合選擇特定的調(diào)制方式，本文不詳述。其中最常用的是前兩種，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)單且能滿足一般應(yīng)用。

六、BLDC電機(jī)的起動(dòng)方式

BLDC電機(jī)控制的最大難點(diǎn)并不是位置檢測(cè)和換相，而是起動(dòng)方式。由于電機(jī)繞組的反電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)速正相關(guān)，當(dāng)轉(zhuǎn)速很低時(shí)，BEMF也非常小以致很難準(zhǔn)確檢測(cè)。因此電機(jī)從零轉(zhuǎn)速起動(dòng)時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)法常常不能適用。必須先借助其它方法將電機(jī)拉到一定速度，使BEMF達(dá)到能夠被檢測(cè)的水平，才能切換到反電動(dòng)勢(shì)法進(jìn)行控制。

6.1 定位

只有先確定了靜止時(shí)轉(zhuǎn)子的位置，才能決定起動(dòng)時(shí)第一次應(yīng)觸發(fā)哪兩個(gè)開(kāi)關(guān)管，我們把確定轉(zhuǎn)子初始位置的過(guò)程叫做定位。

6.1.1 閉環(huán)的建立

最簡(jiǎn)單而常用的方法是給任意兩相通電，并控制電機(jī)電流不致過(guò)大，通電一段時(shí)間后，轉(zhuǎn)子就會(huì)轉(zhuǎn)到與該通電狀態(tài)對(duì)應(yīng)的預(yù)知位置，完成轉(zhuǎn)子的定位。以圖

9為例，若給AB兩相通電，則定子磁勢(shì)Fa的位置如圖所示，此時(shí)若轉(zhuǎn)子磁勢(shì)Ff

在圖示位置，則轉(zhuǎn)子將順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)120°電角度，與定子磁場(chǎng)方向?qū)R。

圖9轉(zhuǎn)子定位

但是這種方法有一個(gè)問(wèn)題，就是如果AB通電前轉(zhuǎn)子恰好在與Fa方向相反的位置，則通電后磁場(chǎng)力的方向與轉(zhuǎn)子成180°角，會(huì)形成死鎖，轉(zhuǎn)子不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，造成定位錯(cuò)誤。

為了避免這個(gè)問(wèn)題，可以先給AC、BC通電，形成的磁場(chǎng)方向與Fa垂直，則轉(zhuǎn)子必會(huì)轉(zhuǎn)到Fa垂直的位置（即使這時(shí)又有死鎖，轉(zhuǎn)子在與指定方向成180

°角的位置，也還是與Fa 垂直），然后再給AB通電，則能夠確保轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到Fa 方向。

兩相通電法的一個(gè)缺點(diǎn)就是通電時(shí)間的長(zhǎng)短不好確定，若太短則不能保證定位完成，若太長(zhǎng)則又會(huì)造成過(guò)流，必須通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)來(lái)制訂合適的通電時(shí)間。而且若起動(dòng)時(shí)的負(fù)載變化，通電時(shí)間也需要重新制訂。

6.1.2 變感檢測(cè)法定位

一種更有效的方法是利用電機(jī)繞組電感的變化來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子的初始位置。這種方法不依賴于電機(jī)的任何特性，因此對(duì)任意電機(jī)都適用，甚至改變電機(jī)的起動(dòng)負(fù)載，還是能有效地實(shí)現(xiàn)定位。該方法基于如下的原理：對(duì)處于永磁體磁場(chǎng)中的線圈施加一個(gè)電壓，根據(jù)磁場(chǎng)方向的不同，產(chǎn)生的電流會(huì)增強(qiáng)或削弱磁場(chǎng)的強(qiáng)度，從而使線圈電感減小或增大。

圖10變感檢測(cè)法定位

具體實(shí)現(xiàn)方法如圖10所示，先將某一相繞組連接到高電平，另外兩相接地，這時(shí)產(chǎn)生的定子磁場(chǎng)方向如圖所示。然后將接地的兩相繞組改接到高電平，原來(lái)接高電平的繞組接地，產(chǎn)生一個(gè)方向相反的磁場(chǎng)。兩種情況的通電時(shí)間都很短， 轉(zhuǎn)子并不轉(zhuǎn)動(dòng)，繞組中產(chǎn)生一個(gè)電流脈沖。比較這兩種情況下電流脈沖的大小，即可比較出兩次繞組電感的大小，從而可把轉(zhuǎn)子定位在180°的范圍內(nèi)。然后換一相電機(jī)繞組重復(fù)剛才的過(guò)程，把轉(zhuǎn)子定位在另外180°的范圍內(nèi)。三相繞組各進(jìn)行一次檢測(cè)，三個(gè)范圍的重合處，即可確定轉(zhuǎn)子所在的60°范圍。

由于這種方法每次繞組通電的時(shí)間都很短，因此不會(huì)擔(dān)心過(guò)流的問(wèn)題。另外由于不會(huì)改變轉(zhuǎn)子位置，在轉(zhuǎn)子運(yùn)行的間隙中也可以用這種方法來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置。

6.2 加速

明確了轉(zhuǎn)子的初始位置后，就能夠決定第一次應(yīng)該打開(kāi)哪幾個(gè)開(kāi)關(guān)管，使哪兩相通電，控制轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)到下一個(gè)位置，即第一次換相。如果這第一次換相時(shí)在斷開(kāi)相繞且中產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)就足夠檢測(cè)過(guò)零點(diǎn)，則可以直接進(jìn)入閉環(huán)控制。但是實(shí)際情況往往沒(méi)有這么理想，在電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)第一次換相時(shí)的速度下，往往不足以產(chǎn)生足夠的反電動(dòng)勢(shì)來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)。因此我們只能先將電機(jī)開(kāi)環(huán)加速到一定的轉(zhuǎn)速，使反電動(dòng)勢(shì)達(dá)到能夠檢測(cè)過(guò)零點(diǎn)的水平，再切換到閉環(huán)調(diào)速。

所謂的開(kāi)環(huán)加速，就是不理會(huì)轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位置，按設(shè)定的順序和頻率強(qiáng)制換相，拉動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。并且逐漸加快換相頻率，使轉(zhuǎn)子加速轉(zhuǎn)動(dòng)。在閉環(huán)控制中，我們是通過(guò)檢測(cè)過(guò)零點(diǎn)知道了轉(zhuǎn)子當(dāng)前的位置，才決定下一步哪兩相通電，使定子產(chǎn)生相位領(lǐng)先轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向120°電角度的磁場(chǎng)，用最優(yōu)的轉(zhuǎn)矩將轉(zhuǎn)子拉到下一個(gè)60°。而開(kāi)環(huán)控制中，因?yàn)椴荒軝z測(cè)反電動(dòng)勢(shì)，也沒(méi)有位置傳感器信號(hào)，我們無(wú)從知道轉(zhuǎn)子當(dāng)前的位置，因此無(wú)法控制定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的夾角，很容易生產(chǎn)過(guò)流或失步。若轉(zhuǎn)子已經(jīng)到了與定子磁場(chǎng)方向?qū)R的位置還不換相，則定子繞組內(nèi)的電流會(huì)很大，產(chǎn)生過(guò)流。若轉(zhuǎn)子還沒(méi)有轉(zhuǎn)到指定位置就發(fā)生了換相，則產(chǎn)生失步，進(jìn)而可能使定子磁場(chǎng)方向反而落后于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，使轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)，然后在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)之間不斷切換，使轉(zhuǎn)子反復(fù)擺動(dòng)，甚至最后產(chǎn)生死鎖。

由于開(kāi)環(huán)加速是很不穩(wěn)定的，必須事先設(shè)計(jì)合理的加速曲線。一種方法是先通過(guò)試驗(yàn)確定加速曲線上的3~4個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，然后擬合出整條曲線的表達(dá)式。

此法的成功實(shí)現(xiàn)，受電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩、外施電壓、加速曲線及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等諸多因素影響。通過(guò)優(yōu)化加速曲線，此法能保證電機(jī)順利起動(dòng)，但是對(duì)不同電機(jī)、不同負(fù)載，所對(duì)應(yīng)的優(yōu)化加速曲線不一樣，導(dǎo)致通用性不強(qiáng)。

還有一種加速方法是利用前面“定位”一小節(jié)中介紹的變感檢測(cè)法，每加速一段時(shí)間后就用這種方法檢測(cè)一次轉(zhuǎn)子位置，然后根據(jù)轉(zhuǎn)子位置調(diào)整要通電的相序，繼續(xù)加速。不斷重復(fù)檢測(cè)——加速——檢測(cè)——加速……直到電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)到需要的速度為止。

6.3 切換到閉環(huán)

當(dāng)電機(jī)加速到可以檢測(cè)到反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)的轉(zhuǎn)速后，即可以切換到閉環(huán)控制。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)切換，在電機(jī)速到一定速度后，或者直接從電機(jī)起動(dòng)開(kāi)始就要不斷地檢測(cè)斷開(kāi)相繞組的電壓，并與中性點(diǎn)電壓比較以檢測(cè)過(guò)零點(diǎn)。如果連續(xù)幾個(gè)周期都檢測(cè)到過(guò)零點(diǎn)，則可以切換到閉環(huán)控制。

閉環(huán)切換的實(shí)現(xiàn)和前面的加速過(guò)程有著緊密的聯(lián)系。如果加速曲線不合理，即使電機(jī)能夠加速到足夠的轉(zhuǎn)速，卻有可能因?yàn)橄辔徊煌?，使反電?dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)不是發(fā)生在斷開(kāi)的那一相，而是在通電相。這樣由于通電相內(nèi)有外加電源產(chǎn)生電流，使我們無(wú)法檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)，因此也不能進(jìn)入閉環(huán)。

如果不想花過(guò)多精力在制訂加速曲線上，也可以用另外一種方法來(lái)切換到閉環(huán)。這種方法對(duì)轉(zhuǎn)子和定子磁場(chǎng)的相位差沒(méi)有要求，只要電機(jī)能加速到足夠的轉(zhuǎn)速后，將三相繞組全部開(kāi)路，則轉(zhuǎn)子處于不受控狀態(tài)，憑借慣性繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。這時(shí)三相繞組中都沒(méi)有電流，都可以進(jìn)行反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)，而不用擔(dān)心前面提到的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)發(fā)生在通電相而無(wú)法檢測(cè)的情況。在連續(xù)檢測(cè)到幾次過(guò)零點(diǎn)之后，就可以切換到閉環(huán)。在三相全部斷電后，電機(jī)在慣性作用下一般至少還會(huì)旋轉(zhuǎn)數(shù)十個(gè)電氣周期，其中轉(zhuǎn)速在反電動(dòng)勢(shì)能夠檢測(cè)的水平之上的周期至少也有十幾個(gè)，足夠進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)，因此這種方法是可行的。不足是這種方法在負(fù)載轉(zhuǎn)矩較大時(shí)不適用。

七、總結(jié)

本文假定讀者已經(jīng)具備一定的有霍爾BLDC控制方面的基礎(chǔ)，因此在敘述順序上是從有霍爾引申到無(wú)霍爾，從易到難。綜合以上各部分的介紹，最后按實(shí)際執(zhí)行的順序，將無(wú)霍爾BLDC的控制過(guò)程再大致概括如下：

1、定位。主要介紹了兩相通電法和變感檢測(cè)法，從理論上講，后者是更好的方法，但是我還沒(méi)有實(shí)際驗(yàn)證過(guò)。

2、加速。在我實(shí)際接觸的項(xiàng)目中，針對(duì)我們所用的電機(jī)，不需要加速就可以直接進(jìn)入閉環(huán)。但本文提到的幾種加速方法，除了結(jié)合變感檢測(cè)法的那種，也都經(jīng)過(guò)了實(shí)踐檢驗(yàn)。

3、切換到閉環(huán)。在開(kāi)環(huán)階段即不斷嘗試檢測(cè)斷開(kāi)相的反電動(dòng)勢(shì)，若能穩(wěn)定檢測(cè)后，則可切換到閉環(huán)。

4、用反電動(dòng)勢(shì)法進(jìn)行閉環(huán)控制。在PWM ON區(qū)間，對(duì)斷開(kāi)相繞組的端電壓進(jìn)行采樣，并與直流母線電壓的一半進(jìn)行比較，即可得出過(guò)零點(diǎn)。通過(guò)反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)即可判斷轉(zhuǎn)子當(dāng)前的位置，進(jìn)而決定下一步應(yīng)該哪兩相通電。由于換相時(shí)產(chǎn)生的尖峰電壓，在剛換相的一段時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到的反電動(dòng)勢(shì)可能不準(zhǔn)確，要根據(jù)實(shí)際情況選擇放棄前面一至兩個(gè)PWM周期的電壓采樣值。若要求實(shí)現(xiàn)極低速閉環(huán)控制，可在PWMOFF區(qū)間對(duì)斷開(kāi)相端電壓采樣，采樣值的過(guò)零點(diǎn)即為反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)。

5、進(jìn)入閉環(huán)后，通過(guò)改變PWM的占空比即可調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，占空比越大轉(zhuǎn)速越高。

無(wú)霍爾BLDC控制最大的難點(diǎn)就是起動(dòng)問(wèn)題。本文介紹的種種使電機(jī)起動(dòng)的方法，都有其局限性，時(shí)至今日，尚沒(méi)有一種可靠而通用的方法，可以實(shí)現(xiàn)不

同應(yīng)用條件下不同特性的無(wú)霍爾BLDC的可靠起動(dòng)。我們只能根據(jù)實(shí)際條件，有針對(duì)性的選擇某一種起動(dòng)方法。但是隨著電機(jī)技術(shù)本身的發(fā)展，將來(lái)可能越來(lái)越多的無(wú)霍爾BLDC都能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度和靈敏度更高的反電動(dòng)勢(shì)，從而可以直接進(jìn)入閉環(huán)，使控制過(guò)程大大簡(jiǎn)化。

參考文獻(xiàn)

1. AN1083: Sensorless BLDC ControlWithBack-EMF Filtering, Reston Condit, Microchip Technology Inc.,2007.
2. AN885: Brushless BLDC Motor Fundamentals, PadmarajaYedamale,MicrochipTechnologyInc.,2003.
3. Advances in Sensorless Control of BLDC Motors, Agile Systems,2005.
4. Direct Back EMF Detection Method for Sensorless Brushless DC Motor Dives, Jianwei Shao,VirginiaPolytechnic Institute and the State University,2003.
5. AN1946: Sensorless BLDC Motor Control and BEMF Sampling Methods with ST7MC, STMicroelectronics,2007.
6. AN857: Brushless DC Motor Control MadeEasy,WardBrown, MicrochipTechnologyInc.,2002.
7. 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的控制，周序偉，sinowealth,2008.
8. AP08018: Start-up Control Algorithm for Sensorless andVariableLoad BLDC ControlUsingVariableInductanceSensingMethod,InfineonTechnologiesAG.2006.