致力低成本應用，DSC助臂無(wú)傳感器BLDC控制

電機在我們日常生活中的幾乎每個(gè)部分都發(fā)揮著(zhù)作用。它們驅動(dòng)洗碗機和洗衣機，使室內變得涼爽，并且對于現代交通工具更是必不可少。無(wú)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的選擇。借助幾個(gè)霍爾效應傳感器和一個(gè)控制器，BLDC電機變得相對容易控制。如今，BLDC 電機系統已十分常見(jiàn)，但是，大多數系統仍使用傳感器來(lái)控制電機。為了降低BLDC系統的成本并提高可靠性，許多設計人員希望除去傳感器。無(wú)傳感器系統已出現相當長(cháng)一段時(shí)間，但在過(guò)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。數字信號控制器（DSC）（例如 Microchip 的dsPIC33FJ16MC102，批量訂購時(shí)，單價(jià)僅約1美元）使無(wú)傳感器BLDC電機控制得以大規模應用。

　　無(wú)傳感器BLDC控制依靠 BLDC電機的特性來(lái)計算轉子位置，并在此位置使電機在適當的時(shí)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(xiàn)圈（稱(chēng)為定子）在轉子（或軸）上產(chǎn)生平行于線(xiàn)圈軸線(xiàn)的磁場(chǎng)，使轉子旋轉并產(chǎn)生轉矩。在三相BLDC電機中，定子中的三個(gè)線(xiàn)圈（或相）連續導通和關(guān)斷使轉子旋轉并產(chǎn)生轉矩。為使轉子保持旋轉，必須在轉子旋轉到相應位置前導通和關(guān)斷相關(guān)相。為了使轉子平穩旋轉，構成電機的每個(gè)繞組或相都可由多組線(xiàn)圈組成。每相都必須按特定順序導通和關(guān)斷才能使轉子旋轉。轉子的位置決定了哪相需要導通或關(guān)斷。因此，了解轉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(dòng)導通或關(guān)斷這些相?？刂破鞅仨殞⒍ㄗ觾鹊拇艌?chǎng)保持在轉子之前，以保持轉子旋轉。獲取轉子位置的最簡(jiǎn)單方法是使用霍爾效應傳感器，它們可生成脈沖將轉子位置通知給控制器。了解轉子位置后，基本BLDC控制器只需查找三個(gè)相的哪種模式對應于轉子位置，并將這些相切換到相應模式。

　　依靠傳感器的運行實(shí)現起來(lái)非常容易，但除去傳感器可降低系統成本并提高可靠性。為了理解無(wú)傳感器算法如何計算轉子位置，我們進(jìn)一步了解一下BLDC電機的三個(gè)相。

　　在“梯形”控制中，在任何時(shí)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(dòng)。由于每相的波形都像梯形（見(jiàn)圖1），“梯形”控制因此而得名。當轉子經(jīng)過(guò)某相時(shí)，轉子上的永磁在該相感應出電流，進(jìn)而產(chǎn)生稱(chēng)為反電動(dòng)勢（EMF）的電壓。反電動(dòng)勢取決于每相繞組的匝數、轉子的角速度以及轉子永磁場(chǎng)的強度。每相的反電動(dòng)勢波形與轉子位置相關(guān)，因此反電動(dòng)勢可用于確定轉子位置。

　　圖1：BLDC電機繞組和梯形波形

　　有許多不同方法使用反電動(dòng)勢確定轉子位置，其中最常見(jiàn)和最可靠的一種是過(guò)零檢測。當其中一個(gè)反電動(dòng)勢信號轉換并過(guò)零點(diǎn)時(shí)，控制器需要切換相的模式。此過(guò)程稱(chēng)為換向（見(jiàn)圖2）。為使轉子保持向前轉動(dòng)，在發(fā)生過(guò)零和換向之間的時(shí)間內必須進(jìn)行相移，電機控制器必須計算和補償該相移。一種實(shí)現過(guò)零的簡(jiǎn)單方法是，假設每當任一相的反電動(dòng)勢達到VBUS/2時(shí)就會(huì )發(fā)生過(guò)零事件。

　　圖2：反電動(dòng)勢過(guò)零

　　利用幾個(gè)配置為比較器的運放，可輕松實(shí)現該方法。但是，該方法中存在幾個(gè)問(wèn)題。首先，反電動(dòng)勢通常小于VBUS，因此過(guò)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(gè)相的過(guò)零反電動(dòng)勢電壓可能與其他相的過(guò)零反電動(dòng)勢電壓不同。最后，這個(gè)過(guò)于簡(jiǎn)單的檢測方法會(huì )導致檢測的反電動(dòng)勢信號出現正負相移。