無(wú)傳感器BLDC驅動(dòng)控制系統的設計

近年來(lái)，國內市場(chǎng)上電動(dòng)車(chē)使用的電機主要有三種：有刷電機、有位置傳感器無(wú)刷電機和無(wú)位置傳感器無(wú)刷電機。使用有刷直流電機容易解決換相問(wèn)題，但是噪音大，而且碳刷容易磨損或損壞，這會(huì )增大維護、維修難度，增加使用成本；使用有傳感器無(wú)刷直流電機容易確定轉子位置，解決換相問(wèn)題，但卻增大了電機的設計、制造和安裝難度，也增加了成本，并且傳感器容易損壞，導致電機的使用壽命縮短；無(wú)傳感器無(wú)刷直流電機換相雖然在技術(shù)上有難度，但在成本和壽命上更容易滿(mǎn)足消費者需求。

綜合以上特點(diǎn)，本文討論的方案選擇了性?xún)r(jià)比較高的無(wú)傳感器無(wú)刷直流電機，以HT46R6?為主控芯片，用反電勢法(back electromotive force)實(shí)現電機正常換相，軟硬結合，使電動(dòng)車(chē)驅動(dòng)系統工作在最佳狀態(tài)，從而提高產(chǎn)品的可靠性和使用壽命。

系統工作原理

控制系統結構框圖如圖1所示，主要由MCU、直流無(wú)刷電機、LCD液晶顯示屏、鍵盤(pán)、電源、時(shí)鐘等模塊組成。其中MCU采用臺灣Holtek公司生產(chǎn)的HT46R6?微處理器，以它作為系統核心，連同一些外圍硬件，并配合軟件共同控制直流無(wú)刷電機，從而實(shí)現該驅動(dòng)系統的優(yōu)良性能。例如通過(guò)MCU指令控制電機的正反轉、調速、剎車(chē)或制動(dòng)等。根據電機所轉圈數計量行程，并以數字形式呈現在液晶屏上，通過(guò)鍵盤(pán)操作方便查看行程以及其它系統信息。電源模塊主要用于在不需要顯示時(shí)切斷相應部分電路，同時(shí)保存關(guān)鍵信息，以降低系統功耗。

圖1：驅動(dòng)系統結構框圖。

由圖1可以看出，本驅動(dòng)控制器的主要功能大致分為三個(gè)部分：電機部分、行程計量以及LCD顯示，本文主要圍繞無(wú)傳感器電機的換相問(wèn)題展開(kāi)。

1. 反電勢換相原理

霍爾傳感器在電機中使用廣泛，帶位置傳感器直流無(wú)刷電機就是靠霍爾傳感器來(lái)確定轉子位置，以使定子各相繞組順序導通實(shí)現換相；而無(wú)傳感器直流無(wú)刷機則是利用電子線(xiàn)路代替位置傳感器(圖2)，通過(guò)檢測電機在運行過(guò)程中產(chǎn)生的反電勢過(guò)零點(diǎn)來(lái)確定轉子位置，實(shí)現換相，下面以星形繞組為例進(jìn)一步說(shuō)明。

圖2：用電子線(xiàn)路代替傳感器結構框圖。

電機在運行過(guò)程中要經(jīng)過(guò)6次換相，每次換相時(shí)總有一相繞組未通電，此時(shí)可以在該相繞組端口檢測到繞組產(chǎn)生的反電勢，反電勢在60°電角度內是連續的。由于電機的規格、制造工藝有差異，導致相同電角度的反電勢值不同，如果要通過(guò)檢測反電勢的數值來(lái)確定轉子位置，難度非常大，因此必須找到該反電勢與轉子位置的關(guān)系，才能確定轉子位置。由圖3可知，反電勢在60°的電角度過(guò)程中總有一次經(jīng)過(guò)坐標橫軸(過(guò)零點(diǎn))，而此處的電角度和下一次換相點(diǎn)的電角度正好相差30°，故可通過(guò)檢測反電勢過(guò)零點(diǎn)，再延時(shí)30°換相。本設計是從被檢測相斷電開(kāi)始計時(shí)等待反電勢過(guò)零點(diǎn)，再延時(shí)等待相應時(shí)間，實(shí)現換相。

圖3：電機運行時(shí)各相產(chǎn)生的反電勢示意圖。

以正向反電勢檢測為例，假設之前是CB通電，測A相反電勢過(guò)零點(diǎn)，有過(guò)零點(diǎn)信號后等待相應時(shí)間，由139譯碼器開(kāi)通A+，同時(shí)自動(dòng)關(guān)閉C+，就轉換成了AB通電；再測C相反電勢，用同樣的方法，開(kāi)通C-，自動(dòng)關(guān)閉B-，轉換成AC通電；再測B相反電勢，開(kāi)通B+，關(guān)閉A+，轉換成BC通電；再測A相反電勢，開(kāi)通A-，關(guān)閉C-，轉換成BA通電；接著(zhù)測C相反電勢，開(kāi)通C+，關(guān)閉B+，轉換成CA通電；然后測B相反電勢，開(kāi)通B-，關(guān)閉A-，轉換成CB通電。經(jīng)過(guò)AB→AC→BC→BA→CA→CB六次換相實(shí)現直流無(wú)刷電機的連續正轉；同理，反電勢法經(jīng)過(guò)CA→BA→BC→AC→AB→CB六次換相可實(shí)現電機的連續反轉。

2. 反電勢過(guò)零方案

在無(wú)位置傳感器直流無(wú)刷電機模型推導的基礎上，可以采用圖4所示的方法，對無(wú)傳感器直流無(wú)刷電機不導通相繞組產(chǎn)生的反電勢進(jìn)行過(guò)零檢測。圖4中的電阻R 起分壓作用，可以看出進(jìn)入比較器LM339正端的A、B、C三相電壓與過(guò)零點(diǎn)檢測相(參考相)電壓明顯成兩倍關(guān)系，對于星形電機繞組，零點(diǎn)是兩相通電電壓的一半，經(jīng)過(guò)電壓比較給出零點(diǎn)信號到單片機，收到信號后再在程序中進(jìn)行換相處理，以確保電機正常運行。LM339的出端信號就是所謂的電機轉子位置信號，相當于傳感器信號，實(shí)質(zhì)上是發(fā)出換相通知。