霍爾效應(yīng)傳感器式替代反電動(dòng)勢(shì)的方法

 無(wú)刷直流 (BLDC) 電機(jī)變得越來(lái)越流行，原因不言自明，因?yàn)槭褂脗鹘y(tǒng)電機(jī)時(shí)始終會(huì)有電刷磨損，更換為電子控制器后將會(huì)大大提升設(shè)備的的可靠性。 而且在保持同等功率輸出的情況下，BLDC 電機(jī)可以做得更小、更輕，特別適合空間受限型應(yīng)用。

由于 BLDC 電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子之間不存在機(jī)械和電接觸，因此需要替代方法來(lái)指示零部件的相對(duì)位置，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制。 BLDC 電機(jī)使用兩種方式之一來(lái)實(shí)現(xiàn)此目的，即采用霍爾傳感器或測(cè)量反電動(dòng)勢(shì)。

廢除傳感器

BLDC 電機(jī)去掉了組成傳統(tǒng)裝置機(jī)械換向器的磨損零件(改進(jìn)了可靠性) 此外，BLDC 電機(jī)具有高扭矩/電機(jī)尺寸比率，快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，且?guī)谉o(wú)工作噪聲。

BLDC 電機(jī)歸類為同步設(shè)備，因?yàn)檗D(zhuǎn)子和定子的磁場(chǎng)頻率相同。 定子由鋼片組成，軸向開(kāi)槽以便沿著內(nèi)部圓柱面容納奇數(shù)個(gè)的繞組。 轉(zhuǎn)子采用永久磁體制造，具有兩到八個(gè) N-S 磁極對(duì)。

BLDC 電機(jī)的電子換向器順次激勵(lì)定子線圈，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)，從而“拖拽”圍繞它的轉(zhuǎn)子。 通過(guò)確保線圈在正確的時(shí)間獲得精確地激勵(lì)來(lái)實(shí)現(xiàn)有效運(yùn)轉(zhuǎn)。

傳感器很有用，但會(huì)增加成本，增加復(fù)雜性(由于需要附加繞組)，并降低了可靠性(部分原因是傳感器連接更容易受到灰塵和潮濕環(huán)境的污染)。 無(wú)傳感器控制方式解決了這些不足。

利用反電動(dòng)勢(shì)

電機(jī)的繞組切過(guò)磁力線時(shí)就象一個(gè)發(fā)電機(jī)。 此時(shí)會(huì)在繞組中產(chǎn)生電勢(shì)，以電壓表示，稱作電動(dòng)勢(shì) (EMF)。 按照倫茨定律，這一電動(dòng)勢(shì)會(huì)產(chǎn)生二次磁場(chǎng)，對(duì)抗驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的磁通量的原始變化。 簡(jiǎn)而言之 ，這種電動(dòng)勢(shì)會(huì)阻礙電機(jī)自然運(yùn)動(dòng)，因而稱之為“反”電動(dòng)勢(shì)。 在既定電機(jī)磁通量和繞組數(shù)固定的情況下，電動(dòng)勢(shì)的幅度與電機(jī)的角速度成正比。

BLDC 電機(jī)制造商指定了一個(gè)稱“作反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)”的參數(shù)，用來(lái)估計(jì)既定速度的反電動(dòng)勢(shì)。 通過(guò)從供應(yīng)電壓中減去反電動(dòng)勢(shì)即可計(jì)算出繞組上的電勢(shì)。 電機(jī)是這樣設(shè)計(jì)的，當(dāng)它們以額定速度運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)和供應(yīng)電壓間的電勢(shì)差將會(huì)引起電機(jī)消耗額定電流并輸出額定扭矩。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)超出額定速度時(shí)會(huì)大幅增加反電動(dòng)勢(shì)，從而降低了繞組的電勢(shì)差，反過(guò)來(lái)減少了電流并降低了扭矩。 更快地推動(dòng)電機(jī)仍會(huì)引起反電動(dòng)勢(shì)(加上電機(jī)損耗)完全等于供應(yīng)電壓——此時(shí)，電流和扭矩都將為零。

因?yàn)榉措妱?dòng)勢(shì)會(huì)降低電機(jī)扭矩，這有時(shí)是一種劣勢(shì)，但對(duì)于 BLDC 電機(jī)，工程師卻可以將這種現(xiàn)象轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)勢(shì)。

三相 BLDC 電機(jī)變換序列的各個(gè)階段是通過(guò)正向激勵(lì)一個(gè)繞組、反向激勵(lì)第二個(gè)繞組，然后讓第三個(gè)繞組開(kāi)路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 圖 1 顯示了此類電機(jī)的第一個(gè)六階段換向序列的簡(jiǎn)化示意圖。

圖 1： 針對(duì) BLDC 電機(jī)的第一個(gè)六階段電循環(huán) 線圈 A 正向激勵(lì)，線圈 B 為開(kāi)路，C 反向激勵(lì)(Microchip 提供)。

使用霍爾傳感器的 BLDC 電機(jī)使用受 MCU 控制并通過(guò)驅(qū)動(dòng)器操作的設(shè)備產(chǎn)生的輸出，來(lái)切換絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 或金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 以正常順序激勵(lì)線圈。 當(dāng)霍爾傳感器輸出變化狀態(tài)時(shí)，這些晶體管就會(huì)觸發(fā)(同時(shí)線圈會(huì)被激勵(lì))。¹

BLDC 電機(jī)的無(wú)傳感器變型電機(jī)，則無(wú)霍爾效應(yīng)傳感器。 相反，當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，三個(gè)線圈中的反向電動(dòng)勢(shì)會(huì)以梯形(長(zhǎng)虛線)方式變化，如圖 2 所示。 為便于比較，同一圖中也顯示了類似配置電機(jī)的霍爾傳感器的輸出。

圖 2： 三相 BLDC 電機(jī)的霍爾傳感器輸出與反電動(dòng)勢(shì)之比較 注意，霍爾傳感器的切換方式與跨過(guò)無(wú)傳感器電機(jī)中零點(diǎn)時(shí)相應(yīng)線圈的反電動(dòng)勢(shì)是一致的(Microchip 提供)。

所有三個(gè)零交叉點(diǎn)的組合用來(lái)決定線圈的激勵(lì)序列。 注意，傳統(tǒng) BLDC 電機(jī)中單個(gè)霍爾傳感器變化輸出，與無(wú)傳感器電機(jī)中單個(gè)線圈的反電動(dòng)勢(shì)零交叉點(diǎn)之間有一個(gè) 30 度的相位差。 因此，在檢測(cè)到零交叉點(diǎn)之后，我們會(huì)在無(wú)傳感器電機(jī)電路的固件中內(nèi)置一個(gè) 30 度相位延遲，然后再激活激勵(lì)序列中的下一個(gè)動(dòng)作。 圖 2 中，短虛線表示線圈中的電流。

圖 3 顯示了無(wú)傳感器三相 BLDC 電機(jī)的一個(gè)控制電路。 在這種情況下，該電路使用了 Microchip PIC18FXX31 8 位 MCU 來(lái)產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 輸出，以觸發(fā)三相逆變器橋中的 IGBT 或 MOSFET。 該 MCU 對(duì)來(lái)自反電動(dòng)勢(shì)零交檢測(cè)電路的輸入作出反應(yīng)。

圖 3：無(wú)傳感器三相 BLDC 電機(jī)的控制電路(Microchip 提供)。

檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)的方法

有多種技術(shù)來(lái)測(cè)量反電動(dòng)勢(shì)。 最簡(jiǎn)單的方法就是用比較器將反電動(dòng)勢(shì)與一半的直流總線電壓比較。 圖 4a 顯示了這樣一個(gè)系統(tǒng)的示意圖。 在圖示情況下，比較器連接到線圈 B，完整的系統(tǒng)每個(gè)線圈都應(yīng)該連接有一個(gè)比較器。 在此圖中，線圈 A 正向激勵(lì)，線圈 C 反向激勵(lì)，而線圈 B 則開(kāi)路。 當(dāng)實(shí)現(xiàn)此相位的激勵(lì)序列時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)就會(huì)上升和下降。

這一簡(jiǎn)單比較器方法主要缺點(diǎn)就是三個(gè)繞組可能沒(méi)有相同的特征，造成實(shí)際零交叉點(diǎn)的正負(fù)相移。 電機(jī)仍可能在運(yùn)轉(zhuǎn)，但可能消耗過(guò)多電流。

解決方法就是通過(guò)使用與電機(jī)繞組并接的三個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)來(lái)產(chǎn)生一個(gè)虛擬中性點(diǎn)(如圖 4b 所示)。 反電動(dòng)勢(shì)然后就會(huì)與虛擬中性點(diǎn)進(jìn)行比較。

第三種方法是采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)(如圖 4c)。 為 BLDC 電機(jī)控制提供的許多 MCU 包括適合作此用途的高速 ADC。 采用這種方法后，反電動(dòng)勢(shì)就會(huì)衰減，以便可以直接饋送給 MCU。 信號(hào)被 ADC 采樣后就會(huì)同與零點(diǎn)對(duì)應(yīng)的數(shù)字值比較。 當(dāng)這兩個(gè)值匹配時(shí)，線圈激勵(lì)序列就會(huì)變址到下一步。 這種技術(shù)具有一定優(yōu)勢(shì)，如允許使用數(shù)字濾波器來(lái)清除反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)中的高頻切換成份。²

圖 4a：測(cè)量反電動(dòng)勢(shì)的簡(jiǎn)單比較器電路(Microchip 提供)。

圖 4b：通過(guò)實(shí)施虛擬中性點(diǎn)可以改進(jìn)簡(jiǎn)單比較器電路(Microchip 提供)。

圖 4c：信號(hào)被 ADC 采樣后就會(huì)同與零點(diǎn)對(duì)應(yīng)的數(shù)字值比較(Microchip 提供)。

無(wú)傳感器 BLDC 電機(jī)控制有一大不足，就是當(dāng)電機(jī)靜止時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，這樣 MCU 就無(wú)法知道定子和轉(zhuǎn)子位置信息。

解決方法就是通過(guò)以預(yù)定序列激勵(lì)線圈來(lái)啟動(dòng)處于開(kāi)環(huán)配置的電機(jī)。 當(dāng)電機(jī)看似運(yùn)轉(zhuǎn)效率不高時(shí)，就會(huì)開(kāi)始循環(huán)該序列。 最終，速度將足以產(chǎn)生足夠的反電動(dòng)勢(shì)，供控制系統(tǒng)切換到正常閉環(huán)運(yùn)行狀態(tài)(有效狀態(tài))。

由于反電機(jī)勢(shì)與旋轉(zhuǎn)速度成正比，因此在需要較低速度的應(yīng)用中，無(wú)傳感器 BLDC 電機(jī)可能不是一個(gè)好的選擇。 此時(shí)帶有霍爾效應(yīng)傳感器的 BLDC 電機(jī)可能是更好的選擇。

無(wú)傳感器 BLDC 電機(jī)控制系統(tǒng)

無(wú)傳感器 BLDC 電機(jī)的不斷流行，促使半導(dǎo)體廠商們開(kāi)發(fā)專門針對(duì)此類裝置控制和驅(qū)動(dòng)的專用芯片。 典型的電機(jī)控制系統(tǒng)由一個(gè) MCU 加上一個(gè) IGBT(或 MOSFET)驅(qū)動(dòng)器組成。

有許多 MCU 可供無(wú)傳感器 BLDC 電機(jī)使用，范圍覆蓋低成本的 8 位器件到較高性能的 16 位和 32 位器件，全部只需要最少的外設(shè)器件就可以驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 這些外設(shè)包括三相 PWM、ADC 和用于過(guò)流保護(hù)的比較器。³

Zilog 提供 Z16FMC 系列 16 位 MCU 用于無(wú)傳感器 BLDC 電機(jī)控制。 據(jù)該公司所稱，任務(wù)要求 MCU 具有快速響應(yīng)能力來(lái)實(shí)時(shí)處理 PWM 更新。 Z16FMC 能夠在 ADC 和定時(shí)器之間以及比較器與 PWM 輸出之間提供自動(dòng)互操作。 圖 5 顯示了 Zilog 電機(jī)控制 MCU 的框圖。

圖 5：Zilog Z16FMC 電機(jī)控制 MCU 框圖。

Microchip PIC18F2431 也是用于無(wú)傳感器 BLDC 電機(jī)控制的常用 MCU。 該芯片使用 8 位處理器并可工作在多達(dá) 16 MIPS 的指令速度下。 PIC18F 系列的變型器件將三相電機(jī)控制 PWM 外設(shè)與多達(dá)八個(gè)輸出和 10 或 12 位 ADC 綜合在一起。

Texas Instruments (TI) 為其零件提供了一個(gè)用于三相 BLDC 裝置的電機(jī)控制評(píng)估套件。。 按照該公司所述，DRV8312-C2-KIT(圖 6)– 基于 DRV8312 PWM 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器– 就是一種無(wú)傳感器磁場(chǎng)定向控制 (FOC) 和傳感器/無(wú)傳感器梯形變換平臺(tái)，從而加速開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速上市。 應(yīng)用包括次 50 V 和 7 A 無(wú)刷電機(jī)，用于驅(qū)動(dòng)醫(yī)用泵、門、電梯和小型泵以及工業(yè)和消費(fèi)機(jī)器人與自動(dòng)化設(shè)備。

圖 6：TI 的三相 BLDC 電機(jī)評(píng)估套件基于 DRV8312 PWM 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

應(yīng)用廣泛

無(wú)傳感器 BLDC 電機(jī)更簡(jiǎn)單，相比使用霍爾效應(yīng)傳感器的電機(jī)潛在可靠性更高，當(dāng)應(yīng)用用于骯臟、潮濕的環(huán)境時(shí)，尤為如此。 這些電機(jī)依賴反電機(jī)勢(shì)測(cè)量結(jié)果來(lái)確定定子和轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置，以便實(shí)現(xiàn)正確的線圈激勵(lì)序列。

一個(gè)不足之處就是，當(dāng)電機(jī)靜止時(shí)，沒(méi)有產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)，因此啟動(dòng)時(shí)是受開(kāi)環(huán)操作影響的。 因此，電機(jī)需要花上較短的時(shí)間來(lái)解決問(wèn)題然后才能有效運(yùn)轉(zhuǎn)。 第二個(gè)不足是，在速度較低時(shí)，此時(shí)反電機(jī)勢(shì)很小而難以測(cè)量，會(huì)造成工作效率不高。 在此類應(yīng)用中應(yīng)考慮使用配備傳感器的 BLDC 電機(jī)。

但對(duì)于眾多的其它應(yīng)用來(lái)說(shuō)，工程師仍可以利用小巧而強(qiáng)大的無(wú)傳感器 BLDC 電機(jī)。 使用專用為此類任務(wù)設(shè)計(jì)的 MCU 和 IGBT(或 MOSFET)驅(qū)動(dòng)器芯片可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程。 各大廠商通過(guò)評(píng)估套件提供針對(duì)成熟無(wú)傳感器 BLDC 電機(jī)解決方案的參考電路，利用這些評(píng)估套件可以進(jìn)一步改進(jìn)開(kāi)發(fā)過(guò)程。