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【零基础玩转BLDC系列】基于反电动势过零检测法的无刷直流电机控制原理

无刷直流电动机基本转动原理请参考《基于HALL传感器的无刷直流电机控制原理》,基本原理及基础知识本篇不再赘述。

位置传感器的存在限制了无刷直流电机在某些特定场合中的应用,如:使电机系统的体积增大,连接导线增多,且位置传感器在高温、高压和湿度较大等恶劣工况下运行时灵敏度变差,使系统运行可靠性降低等。

依据检测原理的不同,无刷直流电机无位置传感器控制方法主要包括:反电动势法、磁链法、电感法和人工智能法等。其中,反电动势法是目前技术最成熟、应用最广泛的一种位置检测方法。

反电势过零检测法的原理

根据法拉第电磁感应定律和楞次定律,转子旋转的时候会在定子绕组中产生感应电势,该感应电势的方向与绕组的电压相反,极性与励磁电压相反,故一般称为反电动势或反电势。

当转子在0角度时,A相反电动势过零点,再延后30度时,HALL 传感器检测到边沿信号,此时需要换相,即在30度时,AB绕组通电,开始检测C相绕组反电动势。

当转子位置60度时,C相反电动势过零点,再延后30度,HALL传感器检测到C相边沿信号,此时需要换相。以此类推,反电动势的检测总是在第三相未通电的绕组上进行,然后在延迟30度进行换相。

对比三相反电动势和三相绕组导通情况,6个反电动势过零点事件都是发生在未导通悬空相的绕组上,而所有的换相点都滞后相应的反电动势过零点30°电角度。反电动势过零点信号再延迟30°电角度,可得到6个离散的转子位置信号。

无刷直流电机绕组的反电动势过零点严格地反映了转子磁极的位置,当BLDC的某相绕组反电动势过零时,转子直轴与该相绕组交轴恰好重合,因此,只要能够准确的检测到绕组反电势的过零点信号,就可以判断出转子的关键位置。理论上,理想的换相点滞后反电动势过零点30°电角度,这样就能够实现无刷直流电机的换相操作,保证电机按照固定的方向连续旋转,从而保证了电机达到最大输出转矩,减小转矩脉动。

BLDC的反电动势大小取决于以下因素:转子角速度、转子磁体产生的磁场,定子绕组的匝数和气隙。电机设计完成后,转子磁场,定子绕组的匝数和气隙都是固定的,随着转子转速的提高,反电动势也随之增加。

BLDC在静止或低速时反电势为零或很小,无法用来判断转子位置,因此需要采用特殊的启动技术来进行启动,常用“三段式”自启动方法。

反电势过零检测实现方法

1.ADC检测法检测反电动势

AD检测法是一种软件计算反电动势过零点的方法,通过电压采样电路直接检测BLDC的三相端电压,然后通过软件方法,计算悬空相反电动势过零点。

为了使三相电压信号MOTOR_U/ MOTOR_V/ MOTOR_W落在MCU片上ADC模块的采样范围,对其进行电阻分压处理,再将分压后获得的AD_VOLTAGE_U/ AD_VOLTAGE_V/AD_VOLTAGE_W信号直接送入ADC的采样引脚进行处理。

ADC检测法需要在每个控制周期内采集母线电压,以确定理论中性点电压,并将其与悬空相的端电压进行比较,从而获得反电动势过零点,在检测到反电动势过零之后,延时30°电角度即可进行换相操作。

2.硬件比较器法

采用硬件比较器获取过零点的方法:通过悬空相反电动势( PHASE_U/V/W )与虚拟中性点电压(MITTLE)比较得到过零点。这种方法不需要考虑在哪个时刻进行过零采样,只需实时检测硬件比较后的I/O状态,即可判断换相时刻。

虚拟中性点计算电路如下图

图中,MOTOR_U,MOTOR_V,MOTOR_W分别接电机的A,B,C相,经过一个分压网络后分别得到PHASE_U,PHASE_V,PHASE_W三个信号并连接到ADC通道引脚。MITTLE为虚拟的估测后的中点电压,只要在AB通电期间开通MOTOR_W和MITTLE的比较,AC通电期间开通MOTOR_V和MITTLE的比较,BC通电期间开通MOTOR_U和MITTLE的比较,就可以成功检测出各相的过零点。


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