無位置傳感器的電機控制方案與硬件設計

一、前言。

電機控制一般使用閉環(huán)控制，這就必須使用傳感器，如：霍爾傳感器、編碼盤等。

但是有的應用場合下，難以安裝霍爾傳感器、編碼盤，或者就算是安裝好，也很容易損壞。

霍爾傳感器、編碼盤都屬于位置傳感器。

那么，無位置傳感器，是否也能控制電機?

答案是可以的。

二、方案。

方案如下圖所示。其中，3Phase Inverter由6個MOS管和MOS管驅動組成。

VBUS測量電機的母線電壓，假設電機由直流50V供電，則測量直流50V;由交流220V供電，則測量直流310V。

IBUS測量電機總電流，可用于防過流、電流環(huán)控制。

Demand是給定的轉速，用滑動電位器模擬轉速的輸入。

AN3、AN4、AN5引腳，用于測量電機的三相電壓。

這樣一來，沒有了位置傳感器，大大簡化了設備的安裝步驟。但是，會產(chǎn)生另外的一些問題。

電機如何啟動?如何換相?如何調(diào)速?

三、硬件。

上邊和下邊MOS管均使用N溝道的6N60，可以耐600V高壓。

MOS管驅動使用L6388ED，其內(nèi)部邏輯可以防止高邊和低邊MOS管同時導通。有自舉電容讓高邊MOS導通。

在單片機初始化時，要給L6388ED的自舉電容充電一段時間，否則高邊MOS管可能不導通，或者不完全導通。

L6388ED內(nèi)部框圖如圖所示。LIN=1，HIN=0，則LVG導通，HVG不導通，Cboot充電。

L6388ED自舉電容的容值可以由手冊上的公式計算得出，我這里控制低速電機，用的是10uF。

一旦自舉電容充完電手，MOS管可以在一段時間內(nèi)不需要充電，一般是電機每次啟動時充電。

建議使用15V給L6388ED供電，使用12V的話，可能讓MOS不導通或不完全導通，如下圖所示。

測量三相電壓，如下圖所示，NET_W是W相的電壓，而W可以直接接單片機的ADC，C11為100nF電容，該電容可以平滑相電壓，不能去掉，否則無法檢測反電動勢。U相和V相與此類似，這里不再贅述。

平滑之后的波形，呈馬鞍型，如下圖所示。

四、單片機算法。

該方案硬件是簡單了，但是算法復雜。

該算法分三個部分，對齊轉子、開環(huán)強制換相、利用反電動勢閉環(huán)換相。

4.1 對齊轉子。

先給自舉電容充電，然后強制給某一相PWM，讓轉子對齊在一個固定的扇區(qū)。

這種方法在絕大多數(shù)的情況下都能對齊，若不能對齊，會啟動失敗，此時，重新啟動即可。

對齊轉子的時間不宜過長，針對本文的低速電機，對齊時間約200ms。

4.2 開環(huán)強制換相。

這里的開環(huán)是指未檢測到反電動勢，強制輸出PWM，并且在預算好的時間換相，從而讓電機轉起來。

換相的方法，不同的電機可能不一樣(如：極數(shù)不同)，這里使用六步換相，如下圖所示。

其中，+VBUS表示上橋臂給PWM，-VBUS表示下橋臂給高電平導通，斜線表示上、下橋臂均不導通。

上、下橋臂均不導通時，電機會產(chǎn)生反電動勢。

4.3 利用反電動勢閉環(huán)換相。

理想情況下，上、下橋臂均不導通時，在電機某一相電壓檢測到反電動勢過零，但是過零時刻和實際要換相的時刻，相差30度角。所以，在檢測到反電動勢過零之后，要延時30度，再換相。

實際情況下，延時的30度還要根據(jù)單片機內(nèi)部的ADC采樣，濾波算法進行補償，這里的補償?shù)慕嵌纫话闶浅暗摹?/p>

假設超前x度，那么實際換相時刻為(30-x)度。

BEMF就是反電動勢，紅色箭頭指向的是換相時刻，如下圖所示。

但是，ADC采樣的電壓都是正電壓，沒有負，那就需要構造一個虛擬中性點。

把三相電壓加起來取平均值，就是虛擬中性點。如下圖所示。

把虛擬中性點當作是零點，這樣就能做到過零檢測。

虛擬中性點并不是一個恒定值，它的波形如下圖所示，類似正弦波。

檢測反電動勢過零，有兩種方法，一種是比較器，另一種是ADC采樣后濾波。

用比較器的方法，優(yōu)點是減少單片機的運算量，缺點是增加硬件成本。

用ADC采樣的方法，優(yōu)點是減少硬件成本，缺點是增加單片機的運算量。

由于這里需要用到的ADC采樣率要求不高(20KHz SPS)，所以用單片機內(nèi)部集成的ADC即可。

這里采用ADC采樣的方法。其濾波算法稱為擇多算法，在另一篇博文再詳細介紹。

五、注意事項。

1、ADC要在PWM高電平的中部采樣，可以避免毛刺的干擾。

2、六步換相的步調(diào)必須正確，否則無法檢測反電動勢。

六步換相有問題，可能不出現(xiàn)紅圈中的豎線，也可能不出現(xiàn)藍圈中的反電動勢。

反電動勢有問題，電機無法加速。

3、可以使用互補的PWM，也可以使用上橋臂為PWM，下橋臂為高低電平。

4、換相的波形如下圖所示。

5、黃色為經(jīng)過比較器后的波形(非本文使用的方法)，藍色為經(jīng)過電阻分壓和電容濾波后的波形。如下圖所示。

經(jīng)過比較器后的波形會產(chǎn)生三條豎線，這三條豎線是由于換相引起的，所以在換相時，不判斷過零。

在不換相時，去抖，判斷邊沿翻轉即是過零點，此方法比ADC濾波要簡單一些。

6、換相時刻不正確的波形，如下圖所示。

六、參考文獻

《使用反電動勢濾波進行無傳感器BLDC控制》

《用擇多函數(shù)實現(xiàn)反電動勢濾波的無傳感器BLDC控制》

《AN1160》——MicroChip官方手冊及源代碼

dsPICDEM MCLV-2開發(fā)板資料——含硬件原理圖

L6388ED數(shù)據(jù)手冊

審核編輯：湯梓紅