GD32創(chuàng )新反電動(dòng)勢采樣方案，助力高效控制BLDC電機

0   引言

電機（Electric machinery，俗稱(chēng)“馬達”）是指依據電磁感應定律實(shí)現電能轉換或傳遞的一種電磁裝置，用來(lái)產(chǎn)生驅動(dòng)轉矩作為電器或各種機械的動(dòng)力源。目前通常使用微控制器（MCU）對電機的啟停及轉速進(jìn)行控制。本文介紹了基于兆易創(chuàng )新（GigaDevice）公司GD32 MCU 的一種創(chuàng )新型高精度反電動(dòng)勢電壓采樣方案，廣泛應用于工業(yè)控制、智能制造、消費電子、家用電器、交通運輸等領(lǐng)域實(shí)現高效電機控制。

圖1 有刷直流電機

1   電機控制概況

按照工作電源的不同，電機可分為直流電機和交流電機。其中，直流電機又可分為有刷直流電機和無(wú)刷直流電機。

1.1 有刷和無(wú)刷直流電機的區別

●   有刷直流電機（圖1）：機械換向，磁極不動(dòng)，線(xiàn)圈旋轉。內部含有碳刷，起到換向作用。碳刷不斷

磨損，會(huì )造成一定損耗，并且需要定時(shí)更換碳刷。

●   無(wú)刷直流電機（圖2）：電子換向，線(xiàn)圈不動(dòng)，磁極轉動(dòng)。通常用霍爾元件感應永磁體位置，進(jìn)而控制電流的方向，達到換向作用。

無(wú)刷直流電機（BLDC）相比較有刷直流電機（DC），以電子換向器取代了機械換向器，克服了有刷直流電機的維護困難、易產(chǎn)生干擾等先天性缺陷。

因此無(wú)刷直流電機既有直流電機良好的調速性能等特點(diǎn)，又有交流電機結構簡(jiǎn)單、無(wú)換向火花、運行可靠和易于維護等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 無(wú)刷直流電機

1.2 BLDC電機控制方法

無(wú)刷直流電機屬于自換流型（自我方向轉換），因此控制起來(lái)更加復雜，需要了解電機進(jìn)行整流轉向的轉子位置和機制。許多不同的控制算法都被用以提供對于BLDC 電機的控制。一般將功率晶體管用作線(xiàn)性穩壓器來(lái)控制電機電壓。但當驅動(dòng)高功率電機時(shí)，這種方法并不實(shí)用。高功率電機必須通過(guò)MCU 提供PWM 信號來(lái)實(shí)現起停和速度功率控制。

控制算法必須提供下列三項功能：

●   用于控制電機速度的PWM 電壓；

●   用于對電機進(jìn)整流換向的機制；

●   利用反電動(dòng)勢或霍爾傳感器來(lái)預測轉子位置的方法。

脈沖寬度調制用于將可變電壓應用到電機繞組來(lái)控制電機的速度和可變轉矩，有效電壓與PWM 占空度成正比。功率晶體管的換向實(shí)現了定子中的適當繞組，可根據轉子位置生成最佳的轉矩。在一個(gè)BLDC電機中，MCU 必須知道轉子的位置并能夠在恰當的時(shí)間進(jìn)行整流換向。

無(wú)刷直流電機的電子換向器可以分為傳感器型和無(wú)傳感器型，無(wú)傳感器型的電子換向器在體積和成本上都更具優(yōu)勢。目前的無(wú)傳感器型的無(wú)刷直流電機的控制方法主要是通過(guò)模數轉換器（ADC）或者比較器采集電機的反電動(dòng)勢過(guò)零點(diǎn)信號。雖然模數轉換器采集反電動(dòng)勢的方法算法比較復雜，但由于很多MCU內部都集成有模數轉換器，對于三相電機來(lái)說(shuō)，可以節省三個(gè)比較器，從而節省體積和成本。模數轉換器需要在特定的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行采樣，然后通過(guò)軟件與零點(diǎn)進(jìn)行比較，從而獲得無(wú)刷直流電機的換相時(shí)刻，以預測無(wú)刷直流電機的下一次換相時(shí)刻。無(wú)刷直流電機系統如圖3 所示。

圖3 無(wú)刷直流電機系統框圖

在現有技術(shù)中，由于場(chǎng)效應晶體管（MOSFET）具有開(kāi)關(guān)噪聲，因此無(wú)刷直流電機的驅動(dòng)信號在高電平和低電平之間進(jìn)行切換時(shí)，其波形往往具有較大的波動(dòng)，從而會(huì )導致反電動(dòng)勢的采樣結果不準確，嚴重時(shí)可導致電機無(wú)法正常工作。因此，亟需對現有的無(wú)刷直流電機系統及控制方法進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，以解決上述問(wèn)題。

2   GD32電機控制方案介紹

為了解決場(chǎng)效應晶體管狀態(tài)改變時(shí)產(chǎn)生噪聲的問(wèn)題，我們基于兆易創(chuàng )新公司GD32 MCU 系列產(chǎn)品，提供了一種無(wú)刷直流電機系統及無(wú)刷直流電機的控制方法。利用驅動(dòng)信號占空比不同大小，選取不同采樣點(diǎn)，從而得到準確的反電動(dòng)勢電壓，可大幅提高電機運行的穩定性。

2.1 在預定時(shí)刻對反電動(dòng)勢進(jìn)行采樣

在驅動(dòng)電路的每個(gè)上橋臂的工作階段內，預定時(shí)刻設置于驅動(dòng)信號的高電平階段，且臨近該高電平階段的下降邊沿，或設置于驅動(dòng)信號的低電平階段且臨近該低電平階段的上升邊沿，從而可以避免場(chǎng)效應晶體管的開(kāi)關(guān)噪聲對模數轉換器采樣造成的影響。

2.2 判斷占空比，選擇采樣點(diǎn)

當占空比低于50% 時(shí)，在MOS 管關(guān)閉期間進(jìn)行采樣；當占空比高于50% 時(shí)，在MOS 管打開(kāi)期間進(jìn)行采樣，并將采樣點(diǎn)由中間點(diǎn)改為MOS管狀態(tài)改變前。

因為在驅動(dòng)電路中的場(chǎng)效應晶體管打開(kāi)時(shí)，電壓采樣單元的采樣電壓是反電動(dòng)勢疊加了1/2 的母線(xiàn)電壓（即驅動(dòng)電路電源電壓）后的電壓，因此比較單元將采樣結果與1/2 的母線(xiàn)電壓進(jìn)行比較。若相鄰的兩個(gè)采樣結果的電壓從低于1/2 母線(xiàn)電壓變?yōu)楦哂?/2母線(xiàn)電壓或者從高于1/2 母線(xiàn)電壓到低于1/2 母線(xiàn)電壓，則是反電動(dòng)勢過(guò)零點(diǎn)了。當在驅動(dòng)電路中的場(chǎng)效應晶體管關(guān)斷時(shí)，電壓采樣單元的采樣電壓是單純的反電動(dòng)勢，反電動(dòng)勢本身根據轉子位置變化會(huì )由負變正，或者由正變負。但由于驅動(dòng)電路上場(chǎng)效應晶體管中的反向二極管的影響，負的反電動(dòng)勢會(huì )被拉到接近0 V，因此在場(chǎng)效應晶體管關(guān)閉期間采集的反電動(dòng)勢后與0 進(jìn)行比較，若相鄰的兩個(gè)采樣結果的電壓從0 V變正或從正變0 V時(shí)，則是反電動(dòng)勢過(guò)零點(diǎn)了（如圖4）。

圖4 方案采樣點(diǎn)示意圖

通過(guò)該方法，在占空比比較低的時(shí)候，高電平時(shí)間比較短但低電平時(shí)間長(cháng)，在低電平期間采樣可以有足夠的時(shí)間避開(kāi)MOS 的關(guān)閉時(shí)的噪聲。同樣的，在占空比高M(jìn)OS 管打開(kāi)時(shí)采樣也可以避開(kāi)MOS 管打開(kāi)時(shí)的噪聲。因此，不論占空比高低都可以得到準確的反電動(dòng)勢電壓，從而為MCU計算BLDC 電機換相時(shí)間提供精確的反電動(dòng)勢信號。

精確的反電動(dòng)勢信號可為BLDC 在許多領(lǐng)域發(fā)揮出色的優(yōu)勢。精度增加可使電機功率損耗更少、控制精確度更高，讓終端用戶(hù)更好的使用BLDC 操作。本方案可廣泛應用于工業(yè)自動(dòng)化、儀器儀表、醫療、消費電子、汽車(chē)等需要高精度電機控制領(lǐng)域。

（注：本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2021年第1期。）