將無傳感器BLDC 電機控制引入低成本應用

電機在我們日常生活中的幾乎每個部分都發揮著作用。它們驅動洗碗機和洗衣機，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。借助幾個霍爾效應傳感器和一個控制器，BLDC電機變得相對容易控制。如今，BLDC電機系統已十分常見，但是，大多數系統仍使用傳感器來控制電機。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。無傳感器系統已出現相當長一段時間，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電機控制得以大規模應用。

無傳感器BLDC控制依靠BLDC電機的特性來計算轉子位置，并在此位置使電機在適當的時間換向。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）在轉子（或軸）上產生平行于線圈軸線的磁場，使轉子旋轉并產生轉矩。在三相BLDC電機中，定子中的三個線圈（或相）連續導通和關斷使轉子旋轉并產生轉矩。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斷相關相。為了使轉子平穩旋轉，構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導通和關斷才能使轉子旋轉。轉子的位置決定了哪相需要導通或關斷。因此，了解轉子位置對于電機的運行至關重要，為了使BLDC電機工作，控制器必須主動導通或關斷這些相。控制器必須將定子內的磁場保持在轉子之前，以保持轉子旋轉。獲取轉子位置的最簡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現起來非常容易，但除去傳感器可降低系統成本并提高可靠性。為了理解無傳感器算法如何計算轉子位置，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。當轉子經過某相時，轉子上的永磁在該相感應出電流，進而產生稱為反電動勢（EMF）的電壓。反電動勢取決于每相繞組的匝數、轉子的角速度以及轉子永磁場的強度。每相的反電動勢波形與轉子位置相關，因此反電動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勢確定轉子位置，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）。為使轉子保持向前轉動，在發生過零和換向之間的時間內必須進行相移，電機控制器必須計算和補償該相移。一種實現過零的簡單方法是，假設每當任一相的反電動勢達到VBUS/2時就會發生過零事件。