無(wú)位置傳感器的電機控制你知道嗎？看完這篇就懂了

電機控制一般使用閉環(huán)控制，這就必須使用傳感器，如：霍爾傳感器、編碼盤(pán)等。

但是有的應用場(chǎng)合下，難以安裝霍爾傳感器、編碼盤(pán)，或者就算是安裝好，也很容易損壞。

霍爾傳感器、編碼盤(pán)都屬于位置傳感器。那么，無(wú)位置傳感器，是否也能控制電機？

答案是可以的。

方案

VBUS測量電機的母線(xiàn)電壓，假設電機由直流50V供電，則測量直流50V；由交220V供電，則測量直流310V。

IBUS測量電機總電流，可用于防過(guò)流、電流環(huán)控制。

Demand是給定的轉速，用滑動(dòng)電位器模擬轉速的輸入。

AN3、AN4、AN5引腳，用于測量電機的三相電壓。

這樣一來(lái)，沒(méi)有了位置傳感器，大大簡(jiǎn)化了設備的安裝步驟。但是，會(huì )產(chǎn)生另外的一些問(wèn)題。

電機如何啟動(dòng)？如何換相？如何調速？

硬件

MOS管驅動(dòng)使用L6388ED，其內部邏輯可以防止高邊和低邊MOS管同時(shí)導通。有自舉電容讓高邊MOS導通。

在單片機初始化時(shí)，要給L6388ED的自舉電容充電一段時(shí)間，否則高邊MOS管可能不導通，或者不完全導通。

L6388ED內部框圖如圖所示。LIN=1，HIN=0，則LVG導通，HVG不導通，Cboot充電。

L6388ED自舉電容的容值可以由手冊上的公式計算得出，我這里控制低速電機，用的是10uF。

一旦自舉電容充完電手，MOS管可以在一段時(shí)間內不需要充電，一般是電機每次啟動(dòng)時(shí)充電。

建議使用15V給L6388ED供電，使用12V的話(huà)，可能讓MOS不導通或不完全導通，如下圖所示。

測量三相電壓，如下圖所示，NET_W是W相的電壓，而W可以直接接單片機的ADC，C11為100nF電容，該電容可以平滑相電壓，不能去掉，否則無(wú)法檢測反電動(dòng)勢。U相和V相與此類(lèi)似，這里不再贅述。

平滑之后的波形，呈馬鞍型，如下圖所示。

單片機算法

該算法分三個(gè)部分，對齊轉子、開(kāi)環(huán)強制換相、利用反電動(dòng)勢閉環(huán)換相。

1.對齊轉子

先給自舉電容充電，然后強制給某一相PWM，讓轉子對齊在一個(gè)固定的扇區。

這種方法在絕大多數的情況下都能對齊，若不能對齊，會(huì )啟動(dòng)失敗，此時(shí)，重新啟動(dòng)即可。

對齊轉子的時(shí)間不宜過(guò)長(cháng)，針對本文的低速電機，對齊時(shí)間約200ms。

2.開(kāi)環(huán)強制換相

這里的開(kāi)環(huán)是指未檢測到反電動(dòng)勢，強制輸出PWM，并且在預算好的時(shí)間換相，從而讓電機轉起來(lái)。

換相的方法，不同的電機可能不一樣（如：極數不同），這里使用六步換相，如下圖所示。

其中，+VBUS表示上橋臂給PWM，-VBUS表示下橋臂給高電平導通，斜線(xiàn)表示上、下橋臂均不導通。

上、下橋臂均不導通時(shí)，電機會(huì )產(chǎn)生反電動(dòng)勢。

3.利用反電動(dòng)勢閉環(huán)換相

理想情況下，上、下橋臂均不導通時(shí)，在電機某一相電壓檢測到反電動(dòng)勢過(guò)零，但是過(guò)零時(shí)刻和實(shí)際要換相的時(shí)刻，相差30度角。所以，在檢測到反電動(dòng)勢過(guò)零之后，要延時(shí)30度，再換相。

實(shí)際情況下，延時(shí)的30度還要根據單片機內部的ADC采樣，濾波算法進(jìn)行補償，這里的補償的角度一般是超前的。

假設超前x度，那么實(shí)際換相時(shí)刻為(30-x)度。

BEMF就是反電動(dòng)勢，紅色箭頭指向的是換相時(shí)刻，如下圖所示。

但是，ADC采樣的電壓都是正電壓，沒(méi)有負，那就需要構造一個(gè)虛擬中性點(diǎn)。

把三相電壓加起來(lái)取平均值，就是虛擬中性點(diǎn)。如下圖所示。

把虛擬中性點(diǎn)當作是零點(diǎn)，這樣就能做到過(guò)零檢測。

虛擬中性點(diǎn)并不是一個(gè)恒定值，它的波形如下圖所示，類(lèi)似正弦波。

檢測反電動(dòng)勢過(guò)零，有兩種方法，一種是比較器，另一種是ADC采樣后濾波。

用比較器的方法，優(yōu)點(diǎn)是減少單片機的運算量，缺點(diǎn)是增加硬件成本。

用ADC采樣的方法，優(yōu)點(diǎn)是減少硬件成本，缺點(diǎn)是增加單片機的運算量。

由于這里需要用到的ADC采樣率要求不高（20KHz SPS），所以用單片機內部集成的ADC即可。

這里采用ADC采樣的方法。其濾波算法稱(chēng)為擇多算法，在另一篇博文再詳細介紹。

注意事項

1.ADC要在PWM高電平的中部采樣，可以避免毛刺的干擾。

2.六步換相的步調必須正確，否則無(wú)法檢測反電動(dòng)勢。

六步換相有問(wèn)題，可能不出現紅圈中的豎線(xiàn)，也可能不出現藍圈中的反電動(dòng)勢。反電動(dòng)勢有問(wèn)題，電機無(wú)法加速。

3.可以使用互補的PWM，也可以使用上橋臂為PWM，下橋臂為高低電平。

4.黃色為經(jīng)過(guò)比較器后的波形（非本文使用的方法），藍色為經(jīng)過(guò)電阻分壓和電容濾波后的波形。如下圖所示。

經(jīng)過(guò)比較器后的波形會(huì )產(chǎn)生三條豎線(xiàn)，這三條豎線(xiàn)是由于換相引起的，所以在換相時(shí)，不判斷過(guò)零。在不換相時(shí)，去抖，判斷邊沿翻轉即是過(guò)零點(diǎn)，此方法比ADC濾波要簡(jiǎn)單一些。

5.換相時(shí)刻不正確的波形，如下圖所示。