基于微控制器實(shí)現(xiàn)無傳感器BLDC電機(jī)平順快速啟動的設(shè)計(jì)淺析

低噪音且高耐用性的無刷直流電機(jī)廣泛用于許多領(lǐng)域，包含工業(yè)應(yīng)用、汽車及家庭。本文說明借由使用微控制器偵測轉(zhuǎn)子初始位置以進(jìn)行電機(jī)控制的方法，對此等電機(jī)的控制非常有幫助。此方法解決許多容易發(fā)生在無傳感器電機(jī)上的各種問題，借由平順且快速的高扭力啟動，實(shí)現(xiàn)極致高效系統(tǒng)。

使用無刷直流電機(jī)時，設(shè)計(jì)師有多種控制原則可選擇。為保持低成本，通常會省略檢測轉(zhuǎn)子位置的傳感器（無傳感器原則），而采用另一種方法，例如根據(jù)電機(jī)的反電動勢預(yù)估位置。但此無法提供電機(jī)停止時的轉(zhuǎn)子位置信息，因此無法依據(jù)轉(zhuǎn)子位置在啟動時控制電機(jī)，故可能因啟動時非必要的反向旋轉(zhuǎn)等情況，而導(dǎo)致效率降低。納入初始位置檢測功能即可解決此等問題（圖1）。

圖1、考慮無傳感器無刷直流電機(jī)

本文說明能有效控制無傳感器無刷直流電機(jī)的初始轉(zhuǎn)子位置檢測，透過使用控制電機(jī)的微控制器，實(shí)現(xiàn)此初始位置檢測。借由應(yīng)用本文所述的方法，可實(shí)現(xiàn)無傳感器、平順、快速且高扭力的啟動。此技術(shù)對于電動工具、輸送設(shè)備、機(jī)器人、水泵、鼓風(fēng)機(jī)等的開發(fā)非常有效。

解決容易發(fā)生在無傳感器電機(jī)上的啟動問題

圖2說明無刷直流電機(jī)控制中初始轉(zhuǎn)子位置的定位技術(shù)。

可利用如120度傳導(dǎo)法（梯形控制）或矢量法（正弦控制）等進(jìn)行三相無刷直流電機(jī)控制。120度傳導(dǎo)法每60度切換一次三相激磁模式，在線圈的磁通量與轉(zhuǎn)子永久磁鐵之間產(chǎn)生扭力。此方法相當(dāng)易于實(shí)施，因此被廣泛使用。另一方面，矢量法將電機(jī)的電流值分成精確控制的扭力分量及磁場分量，因而大范圍的實(shí)現(xiàn)從低速到高速的高效率控制，但此法需要復(fù)雜的算術(shù)處理，會增加CPU的負(fù)荷。

圖2、應(yīng)用于無刷直流電機(jī)的技術(shù)

不論是120度傳導(dǎo)法或矢量法，針對轉(zhuǎn)子位置檢測都有感測及無傳感器的解決方案。本文僅著重于120度傳導(dǎo)法。霍爾傳感器（磁性傳感器）通常用于使用120度傳導(dǎo)法的感檢測系統(tǒng)，但這會增加系統(tǒng)成本，而且霍爾傳感器也有不耐熱的缺點(diǎn)。

另一方法，無傳感器系統(tǒng)依賴各種與電機(jī)旋轉(zhuǎn)有關(guān)的現(xiàn)象例如產(chǎn)生的反電動勢，以預(yù)估轉(zhuǎn)子位置。但這會阻礙電機(jī)停止時的轉(zhuǎn)子位置檢測，因此無法在電機(jī)啟動時，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行正確的控制。當(dāng)應(yīng)用程序的啟動行為沒有問題時，可忽略轉(zhuǎn)子位置并執(zhí)行強(qiáng)制啟動，但在以下情況中則不適合：

- 應(yīng)避免啟動期間非必要的反向旋轉(zhuǎn)，

- 需要快速且平順的啟動，

- 應(yīng)保持啟動時低電流消耗。

在這些情況下，必須檢測初始轉(zhuǎn)子位置以進(jìn)行適當(dāng)控制。

整合無傳感器電機(jī)控制需要的所有功能

在詳細(xì)說明實(shí)施無傳感器初始轉(zhuǎn)子位置檢測前，本文將先就設(shè)計(jì)用于電機(jī)控制的微控制器－瑞薩RL78/G1F微控制器（以下稱G1F）做說明。本產(chǎn)品為瑞薩電子低階微控制器RL78系列的一部分（參見圖3）。此系列中，G1F屬于“一般用途”子類（G1x），且包含使RL78/G1F適合電機(jī)控制應(yīng)用的專門特性組合。RL78/G1F與電機(jī)控制應(yīng)用有關(guān)的部分功能包括：

- 用于電機(jī)控制的Timer，支持64MHz芯片上振蕩器頻率，

- 附DAC的高速比較器，用于參考電壓，

- 高電壓轉(zhuǎn)換速率可編程增益放大器 （PGA），

- A/D轉(zhuǎn)換器等。

利用G1F的周邊功能實(shí)施無傳感器120度傳導(dǎo)控制的電路配置如圖4所示。16位TImer（TImer RD）產(chǎn)生逆變器控制所需的三相補(bǔ)償PWM訊號?；诎踩紤]，利用可編程增益放大器（PGA）及比較器（CMP0）檢測過電流，故可強(qiáng)制關(guān)閉PWM訊號，無需CPU介入。

圖3、RL78系列規(guī)劃

圖4、無傳感器120度傳導(dǎo)控制之電路配置

利用可選擇的4輸入比較器（CMP1）及具有輸入擷?。ú东@）功能的TImer（TImer RX），檢測初始轉(zhuǎn)子位置。開始旋轉(zhuǎn)且可取得反電動勢后，可利用通過零點(diǎn) （zero-cross） 檢測，決定轉(zhuǎn)子位置。以三相中性點(diǎn)輸入為基準(zhǔn)，比較器進(jìn)行通過零點(diǎn)檢測。或者亦可利用10位A/D轉(zhuǎn)器（ADC）取得數(shù)值并進(jìn)行通過零點(diǎn)檢測。使用比較器的第一種方法適合高準(zhǔn)確度及高速度操作，而使用A/D轉(zhuǎn)換器的第二種方法（無比較器）較適合中／低速應(yīng)用。

結(jié)合兩種處理步驟以縮短檢測時間

無傳感器初始轉(zhuǎn)子位置檢測包含以下兩個處理步驟。

步驟1：在180度以內(nèi)的位置檢測

步驟2：極性檢測

步驟1系以三相電機(jī)端子之間的電感會因轉(zhuǎn)子位置（變化）而有所不同的事實(shí)（參見圖8）。電感差異會影響下游端子（此例中即為MCU或示波器）的電壓上升行為，而此為檢測的基礎(chǔ)。此步驟決定磁鐵沿三個相位（U、V及W）之一的方向，但尚未決定極性（北或南），因?yàn)橄嗤淖兓瘯谡麄€360度電氣角度范圍內(nèi)重復(fù)兩個周期。

而步驟2采用的事實(shí)則是電機(jī)永久磁鐵產(chǎn)生的磁通量與電流通過線圈產(chǎn)生的磁通量之影響會導(dǎo)致線圈鐵芯材料磁飽和，而使電流更容易流動。因此能識別永久磁鐵的磁極方向。結(jié)合步驟1和步驟2的結(jié)果，即可檢測整個360度范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)子位置。

不同的電機(jī)類型會有一定的差異，但處理步驟1時的目標(biāo)電流非常小，且量測只需要幾毫秒的時間。相對而言，步驟2則要應(yīng)付相對較大的電流，且量測時間則增長約100倍。

實(shí)際上，即使只對三相執(zhí)行處理步驟2（三次），仍能以60度的分辨率檢測到轉(zhuǎn)子的初始位置。但此牽涉到較長的處理時間而且必須面對較高的電流。故本文所述之解決方案旨在借由整合處理步驟1和2，實(shí)現(xiàn)更高的效率。

處理步驟1：借由比較相位之間的電壓上升行為進(jìn)行評估

180度以內(nèi)的位置檢測程序說明如下。使用的G1F周邊功能配置如圖5所示。

圖5、處理步驟1電路配置（180度以內(nèi)之位置檢測）

首先，在U相上施加電源電壓，并量測V相電壓 （VUV） 達(dá)到門坎（檻）參考電壓 （VREF1） 時經(jīng)過的時間。此程序的操作原理如圖6所示。將VUV及VREF1相電壓檢測輸入傳送至比較器 （CMP1） 進(jìn)行匹配檢測，并利用Timer RX的計(jì)數(shù)器值決定當(dāng)VUV與VREF1相符的時間。Timer RX開始計(jì)數(shù)，與Timer RD的PWM輸出同步，并與CMP1同步捕獲計(jì)數(shù)值。

圖6、施加U → V電壓并量測達(dá)到比較參考電壓的時間

分別針對全部三個通道U → V、V → W及W → U執(zhí)行本程序，并按照以下標(biāo)準(zhǔn)決定轉(zhuǎn)子沿三個軸的位置：

若tUV 》 tVW 及 tWU，則轉(zhuǎn)子的磁極方向?yàn)檠豔軸方向（參見圖7）。

CMP1最多可使用四個切換外部輸入，進(jìn)行匹配比較。由于上述操作使用其中三個輸入，故可利用時間量測值達(dá)到可重復(fù)的結(jié)果。

圖7、依據(jù)U → V、V → W及W → U的量測時間檢測轉(zhuǎn)子位置

由于永久磁鐵磁場的效應(yīng)，相應(yīng)相位端子之間的電感會隨轉(zhuǎn)子位置而改變，而此效應(yīng)的大小亦會以相同的趨勢改變Timer RX的計(jì)數(shù)值。舉例來說，假設(shè)端子間電感、轉(zhuǎn)子位置及Timer RX計(jì)數(shù)值的變化如圖8所示，則可利用產(chǎn)生的圖形決定轉(zhuǎn)子位置。以圖7為例，在圖8中，電氣角度60度及240度時會建立 tUV 》 tVW ≒ tWU 關(guān)系。由于此變化在整個360度范圍內(nèi)重復(fù)兩次，故在任意點(diǎn)上無法判斷兩個角度（相差180度）中的哪一個是正確的。

圖8、端子間的電感變化取決于轉(zhuǎn)子位置與Timer RX計(jì)數(shù)值

端子之間的電感及隨轉(zhuǎn)子位置之變化會因電機(jī)而有所差異。此外，輸出至CMP1的相電壓行為不僅受到電機(jī)電感的影響，亦會受到逆變器電路的影響。因此，用戶需要先依據(jù)轉(zhuǎn)子位置評估Timer RX計(jì)數(shù)值的變化并設(shè)定CMP1的比較參考電壓。

處理步驟2：比較并聯(lián)電壓行為以進(jìn)行比評估

本節(jié)說明用于極性檢測的第二個處理步驟。使用的G1F周邊功能配置如圖9所示。由于此程序以電機(jī)電流作為微控制器的輸入電壓，故需要分流電阻。此輸入可用于旋轉(zhuǎn)時的過電流檢測。

圖9、處理步驟2（極性檢測）電路配置

依據(jù)處理步驟1的結(jié)果，可識別磁鐵指向方向的相位。此步驟中，在繞組+ve（一相）及–ve（兩相）之間施加特定電流，持續(xù)固定的時間 （tCONST）。 利用可編程增益放大器 （PGA） 放大該點(diǎn)（電流檢測輸入）的并聯(lián)電壓，并以A/D轉(zhuǎn)換器 （ADC） 量測。圖10上方電路（紅色訊號路徑）顯示當(dāng)電流從W流向U及V時的訊號。

圖10、W → U、V電流及U、V → W電流時的并聯(lián)電壓量測

接著，讓電流以反向流動相同的時間 （tCONST），并進(jìn)行同樣的并聯(lián)電壓量測。圖10下方電路（藍(lán)色訊號路徑）顯示當(dāng)電流從U及V流向W時的訊號。

可利用這兩個量測值間的大小關(guān)系決定永久磁鐵的磁通量方向。在圖11的例子中，當(dāng)電流從W流向U及V時的電流值 （IW+） 大于電流反向流動時的電流值 （IW-）。因此，可判定轉(zhuǎn)子方向?yàn)閃相磁通量增強(qiáng)的方向（電流從W到U的磁通量方向，V與永久磁鐵的磁通量方向相同）

圖11、轉(zhuǎn)子極性評估電流（并聯(lián)電壓）

依據(jù)處理步驟1和2的結(jié)果，可決定轉(zhuǎn)子初始位置。

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