無刷直流（Brushless DC，BLDC）電機相對于感應(yīng)電機具有很多優(yōu)點。BLDC電機支持無級變速，這可以提高能效并降低噪聲。BLDC電機的速度－扭矩特性曲線是平直的，這使電機可以在較低的速度下運行，無需消耗更高電流即可產(chǎn)生相同扭矩。
本文將討論使用Microchip公司的PIC18FXX31系列單片機，進(jìn)行冰箱中BLDC電機的有傳感器和無傳感器控制。
BLDC電機控制
BLDC電機的轉(zhuǎn)子上具有北極（N）和南極（S）交替排列的永磁體。定子由剛片疊制而成，繞組線圈放置在槽里，槽沿軸邊切割。要旋轉(zhuǎn)BLDC電機，應(yīng)按一定順序?qū)Χㄗ永@組進(jìn)行勵磁。為了執(zhí)行換向序列，清楚轉(zhuǎn)子位置非常重要。轉(zhuǎn)子位置使用嵌入定子中的霍爾效應(yīng)傳感器進(jìn)行檢測。大多數(shù)電機會在定子的電機非驅(qū)動端嵌入三個霍爾傳感器。每當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極接近霍爾傳感器時，傳感器會產(chǎn)生高電平或低電平信號，指示N或S極接近傳感器。根據(jù)這三個霍爾傳感器的信號組合，可以確定準(zhǔn)確的換向序列。表1給出了對應(yīng)于霍爾傳感器輸入的典型換向序列。
換向序列
如表1所示，每個序列會將三相中的兩相與電源連接，第三相保持開路。圖1顯示了簡化的BLDC電機控制框圖。在該示例中，使用Microchip公司的PIC18F2331閃存單片機來控制電源開關(guān)。匹配驅(qū)動器用于對電源開關(guān)進(jìn)行相應(yīng)的門控驅(qū)動。PIC18Fxx31系列具有6個脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）通道，PWM頻率和占空比可進(jìn)行編程。Q0至Q5連接構(gòu)成三相逆變橋。A相、B相和C相分別與每個半H橋的中點連接，PWM0至PWM5分別控制電源開關(guān)Q0至Q5。PIC18Fxx31系列具有三個輸入捕捉引腳，表示為IC1、IC2和IC3。輸入捕捉模塊具有一種工作模式，在該模式下，每次任意輸入捕捉引腳上發(fā)生電平變化時，會捕捉Timer5的值。將霍爾傳感器與單片機連接時，適合使用該模式。每次霍爾傳感器發(fā)生電平變化時，將會產(chǎn)生中斷，并捕捉Timer5的值。這個捕捉值對應(yīng)于電機速度。
表1:對應(yīng)于霍爾傳感器的典型換向序列
當(dāng)PWM0至PWM5所標(biāo)記的信號根據(jù)序列開啟或關(guān)閉時，電機將以額定速度運行（見圖1）。這種情況假定，直流母線電壓等于電機額定電壓與開關(guān)兩端所有電壓損失的和。要改變速度，可以對這些信號進(jìn)行脈寬調(diào)制，使信號頻率遠(yuǎn)高于電機頻率。通常，PWM頻率應(yīng)至少是電機最大頻率的10倍。在序列中改變PWM頻率的占空比時，向定子提供的平均電壓會下降，從而降低速度。
圖1 電機控制框圖
使用PWM控制電機還有另一個優(yōu)點。當(dāng)直流母線電壓遠(yuǎn)高于電機額定電壓時，可以通過將PWM占空比限制為與電機額定電壓對應(yīng)的PWM占空比，將為電機提供的電壓限制為電機額定電壓。這樣，冰箱控制電路就可以在具有不同交流輸入的多個國家使用。交流電壓輸入使用二極管橋式整流器轉(zhuǎn)換為直流，控制器的平均電壓輸出通過控制PWM占空比與電機額定電壓匹配。
有幾種不同的控制方式。如果在單片機中限制PWM信號，則在相應(yīng)序列期間，可以一直導(dǎo)通上方的開關(guān)，相應(yīng)的下方開關(guān)可以通過所需的PWM占空比進(jìn)行控制。
在圖1中，溫度由用戶設(shè)置。冰箱內(nèi)部溫度使用溫度傳感器進(jìn)行測量。根據(jù)冰箱的尺寸，可能會有多個傳感器位于冰箱內(nèi)部的不同位置。設(shè)置溫度和實際溫度使用片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog-to-Digital Converter，ADC）讀取。當(dāng)溫差大于預(yù)定義的溫度滯后值時（通常小于華氏2度），電機會以低速開始旋轉(zhuǎn)。如果溫差較大（例如，冰箱門打開），則電機應(yīng)以較高速度運行。溫差和速度之間的關(guān)系可以根據(jù)冰箱尺寸確定。當(dāng)設(shè)置溫度和實際溫度之間的溫差改變時，壓縮機和風(fēng)扇速度可以相應(yīng)地改變。
PIC18F2331上提供了通用I/O引腳，可用于LED、LCD、開關(guān)、繼電器和小鍵盤。圖2以流程圖形式給出了固件概要。
圖2 使用霍爾傳感器換向進(jìn)行BLDC電機控制的流程圖
BLDC電機的無傳感器控制
BLDC電機的無傳感器控制根據(jù)定子繞組中產(chǎn)生的反電動勢（Electro Motive Force，EMF）進(jìn)行換向。這種方法不需要霍爾傳感器。無傳感器控制有兩個明顯優(yōu)點：可靠性更高、成本更低。
元件較少的系統(tǒng)本身更為可靠。壓縮機會產(chǎn)生熱量，而溫度上升會加速霍爾傳感器工作失?；虬l(fā)生故障。在無傳感器設(shè)計中，不僅不需要霍爾傳感器，而且不需要霍爾傳感器接線，這些都可以帶來成本的節(jié)?。ㄖ辽倏梢允∪?條接線）。
反電動勢信號（而不是霍爾傳感器）對BLDC電機進(jìn)行換向，反電動勢的大小取決于三個因素：轉(zhuǎn)子的角速度、定子繞組中的線圈圈數(shù)以及轉(zhuǎn)子磁場。完成電機設(shè)計之后，轉(zhuǎn)子磁場和定子繞組線圈圈數(shù)將保持恒定?？刂品措妱觿莸囊蛩厥墙撬俣然蜣D(zhuǎn)子速度。反電動勢與轉(zhuǎn)子速度成正比。但是，對于給定速度，可以使用電機數(shù)據(jù)手冊中提供的反電動勢常量來估計反電動勢。
對應(yīng)于相電壓，霍爾傳感器和反電動勢之間的關(guān)系如圖3所示。每個換向序列中會有一個繞組正勵磁，第二個繞組負(fù)勵磁，第三個保持開路。如圖3，當(dāng)反電動勢的電壓極性從正變?yōu)樨?fù)或從負(fù)變?yōu)檎龝r，霍爾傳感器信號會改變狀態(tài)（存在30°的相差）。在理想情況下，這種狀況在反電動勢過零時發(fā)生。但是，由于繞組特性的原因，會存在一定的延時，應(yīng)通過單片機對該延時進(jìn)行補償。
圖3 霍爾傳感器信號、相電壓、電流和反電動勢之間的關(guān)系
另一個需要考慮的方面是速度極低時的工作。因為反電動勢與旋轉(zhuǎn)速度成正比，所以速度極低時，用于檢測過零點的反電動勢很小。從停止?fàn)顟B(tài)開始工作時，需要以開環(huán)方式起動電機。當(dāng)產(chǎn)生足夠的反電動勢，足以檢測過零點時，應(yīng)將控制切換為反電動勢檢測?？梢詸z測反電動勢的最小速度根據(jù)電機的反電動勢常量進(jìn)行計算。
反電動勢過零檢測
檢測反電動勢過零點對于無傳感器控制系統(tǒng)非常關(guān)鍵。確定過零點可以使用幾種不同的技術(shù)。如前面所述，每個換向序列都有一個非勵磁繞組，在每個繞組通過非勵磁狀態(tài)時檢測反電動勢過零點。圖4a、4b和4c顯示了可以用于檢測反電動勢過零點的不同方案。在圖4a中，A相與電源正極（DC+）連接， C相與電源負(fù)極（或回路DC-）連接，B相開路。觀察B相上的反電動勢，可以看到反電動勢朝正電壓上升，然后朝負(fù)電壓下降。將它與直流母線電壓的一半進(jìn)行比較時，可以獲得虛擬過零點。通過使用運放比較器，可以確定過零點。
圖4b顯示了通過產(chǎn)生虛擬中性點來確定反電動勢過零點的方法。虛擬中性點使用圖中所示的梯形電阻網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生，然后將非勵磁繞組中的反電動勢與該中性點進(jìn)行比較。這使得在所有可測量速度下，可相對容易地確定過零點。
圖4a和4b顯示了B相的過零檢測電路。對于A相和C相，當(dāng)其相應(yīng)繞組未勵磁時，應(yīng)使用類似電路進(jìn)行反電動勢過零檢測。
圖4a 反電動勢過零檢測：與直流母線電壓/2比較
圖4b 反電動勢過零檢測：與中性點比較
圖4c 反電動勢過零檢測：使用片上ADC讀取
反電動勢過零檢測的另一種方案是使用ADC，如圖4c中所示。PIC18F2331單片機具有可用于此用途的高速ADC。通過使用分壓器，可以將反電動勢信號降到單片機可測量的電平。使用片上ADC對該信號進(jìn)行采樣，不斷將采樣值與對應(yīng)于零點的數(shù)字值進(jìn)行比較。當(dāng)這兩個值匹配時，就更新?lián)Q向序列。該方法的優(yōu)點是能夠使測量更為靈活。當(dāng)速度改變時，繞組電壓可能會波動，導(dǎo)致反電動勢的變化。這種情況下，單片機可以完全控制過零點的確定。此外，還可以采用數(shù)字濾波器來濾除反電動勢信號中的高頻開關(guān)噪聲成分。
結(jié)論
BLDC電機與生俱來的優(yōu)點使其可用來控制冰箱的壓縮機和風(fēng)扇，提高冰箱能效和降低噪聲，同時支持無級變速。但是，BLDC電機需要通過驅(qū)動電路來進(jìn)行電子換向。使用驅(qū)動電路可實現(xiàn)變速操作。此外，與根據(jù)制冷負(fù)載間歇性地起動和停止壓縮機的傳統(tǒng)方式相比，系統(tǒng)功耗更低。
使用Microchip的PIC18F2331系列單片機，可以實現(xiàn)幾種以開環(huán)和閉環(huán)方式控制BLDC電機的方法，同時可以充分利用單片機中可用于電機控制的外設(shè)，減少所需的外部硬件。
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