電機控制除去傳感器大幅降低成本并提高可靠性

關(guān)鍵字：BLDC 電機控制 霍爾效應(yīng)傳感器 電機控制器

電機在我們?nèi)粘Ｉ钪械膸缀趺總€部分都發(fā)揮著作用。它們驅(qū)動洗碗機和洗衣機，使室內(nèi)變得涼爽，并且對于現(xiàn)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(tǒng)的選擇。借助幾個霍爾效應(yīng)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(tǒng)已十分常見，但是，大多數(shù)系統(tǒng)仍使用傳感器來控制電機。為了降低 BLDC 系統(tǒng)的成本并提高可靠性，許多設(shè)計人員希望除去傳感器。無傳感器系統(tǒng)已出現(xiàn)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(shù)字信號控制器（DSC）（例如 Microchip 的 dsPIC33FJ16MC102，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(guī)模應(yīng)用。

無傳感器 BLDC 控制依靠 BLDC 電機的特性來計算轉(zhuǎn)子位置，并在此位置使電機在適當?shù)臅r間換向。為了解其工作原理，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(zhuǎn)子（或軸）上產(chǎn)生平行于線圈軸線的磁場，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。在三相 BLDC 電機中，定子中的三個線圈（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?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)子位置對于電機的運行至關(guān)重要，為了使

BLDC 電機工作，控制器必須主動導(dǎo)通或關(guān)斷這些相。控制器必須將定子內(nèi)的磁場保持在轉(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相的哪種模式對應(yīng)于轉(zhuǎn)子位置，并將這些相切換到相應(yīng)模式。

依靠傳感器的運行實現(xiàn)起來非常容易，但除去傳感器可降低系統(tǒng)成本并提高可靠性。為了理解無傳感器算法如何計算轉(zhuǎn)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（+VBUS），一相被拉為低電平（-VBUS），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(zhuǎn)子經(jīng)過某相時，轉(zhuǎn)子上的永磁在該相感應(yīng)出電流，進而產(chǎn)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(shù)、轉(zhuǎn)子的角速度以及轉(zhuǎn)子永磁場的強度。每相的反電動勢波形與轉(zhuǎn)子位置相關(guān)，因此反電動勢可用于確定轉(zhuǎn)子位置。

有許多不同方法使用反電動勢確定轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子保持向前轉(zhuǎn)動，在發(fā)生過零和換向之間的時間內(nèi)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(xiàn)過零的簡單方法是，假設(shè)每當任一相的反電動勢達到 VBUS/2 時就會發(fā)生過零事件。

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圖 2：反電動勢過零

利用幾個配置為比較器的運放，可輕松實現(xiàn)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 VBUS，

因此過零事件不一定發(fā)生在 VBUS/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(dǎo)致檢測的反電動勢信號出現(xiàn)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(fā)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(xiàn)。利用可編程控制器（如 dsPIC 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(fā)生。發(fā)生過零事件后，控制器使電機換向，然后整個過程重復(fù)執(zhí)行。因此，通過使用電機的反電動勢和檢測過零，可從系統(tǒng)中除去傳感器，同時保持相同的性能水平。

在實際系統(tǒng)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(zhuǎn)，快到產(chǎn)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(zhuǎn)子位置?？绍浖幊痰目刂破魇瓜到y(tǒng)啟動方式可根據(jù)特定應(yīng)用進行調(diào)整，從而減少此問題的影響。另一個問題是 MOSFET 的開關(guān)噪聲。由于 MOSFET 通過開關(guān)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(nèi)建 DSP 引擎，可輕松處理實現(xiàn)數(shù)字濾波和消除開關(guān)噪聲所需的計算。其他挑戰(zhàn)來自特定設(shè)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(zhàn)更容易解決，就像本文提及的兩個問題的解決方案一樣。