ADC采樣積分方式的BLDC方波無(wú)感控制的原理

本文主要參考了TIDA-010031參考設(shè)計(jì)，分析下ADC采樣積分方波無(wú)感控制的原理，方便大家更好地完成類(lèi)似的方案設(shè)計(jì)。

1.下面是典型的三相BLDC電機(jī)控制框圖.

三個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)BLDC無(wú)刷電機(jī)，檢測(cè)低邊總線電流

2.典型的BLDC電機(jī)相電流和反電動(dòng)勢(shì)波形圖分析

從波形上看，每60度電角度，只有兩個(gè)半橋有驅(qū)動(dòng)電壓輸出，另外一個(gè)半橋上下管全關(guān)，這個(gè)相電壓是懸浮態(tài)。

BLDC電機(jī)運(yùn)行后，相線都有反電動(dòng)勢(shì)。

電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)來(lái)源于電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)引起磁通的變化，而磁通的變化在定子繞組上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓。

對(duì)同一個(gè)電機(jī)來(lái)說(shuō)，反電動(dòng)勢(shì)峰值跟電機(jī)轉(zhuǎn)速幾乎是固定的比例。

3.反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)到峰值的反電動(dòng)勢(shì)電壓和時(shí)間的積分

根據(jù)上面對(duì)反電動(dòng)勢(shì)峰值跟轉(zhuǎn)速(電頻率)幾乎成固定比例的描述，設(shè)定

。Vm為反電動(dòng)勢(shì)峰值, 對(duì)于同一個(gè)電機(jī)，我們可以認(rèn)為Kv幾乎不變。

以上圖左邊的藍(lán)色區(qū)域?yàn)槔搮^(qū)域(反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻到下一次換相點(diǎn)時(shí)刻之間的區(qū)域)的電角度是30度，也就是電角度（360度）的1/12。

設(shè)當(dāng)前電機(jī)電頻率為f, 單位為Hz。

反電動(dòng)勢(shì)的峰值電壓為

,單位為伏特。

設(shè)反電動(dòng)勢(shì)從center tap value到最大值的時(shí)間為t1, 而

。

那么藍(lán)色積分區(qū)域的積分值就等于藍(lán)色三角形的面積：

可以看到，積分結(jié)果是Kv值的

，因此積分結(jié)果也是幾乎不變的。

所以我們可以根據(jù)積分的值跟固定閾值

作比較來(lái)判斷換相點(diǎn)。

4.ADC如何采樣反電動(dòng)勢(shì)

方波無(wú)感BLDC的ADC采樣積分控制，電路設(shè)計(jì)有三相相電壓ADC采樣電路，每60度電角度區(qū)間電機(jī)的兩相由于半橋有輸入電壓同時(shí)有電感電流，在不增加額外電路的情況下很難獲得反電動(dòng)勢(shì)電壓，而懸浮相由于沒(méi)有半橋電壓輸入和電感電流，所以可以從檢測(cè)該相端電壓推導(dǎo)出該相實(shí)際的反電動(dòng)勢(shì)電壓。

所以如果對(duì)這個(gè)電機(jī)控制方法感興趣的，可以在TI官網(wǎng)上查看該參考設(shè)計(jì)的軟硬件開(kāi)發(fā)資料。

設(shè)計(jì)上采用下管常開(kāi)，上管打PWM的策略驅(qū)動(dòng)電機(jī)?？紤]到電機(jī)驅(qū)動(dòng)的PWM duty的大小是變化的，可以根據(jù)半橋上管ON的時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)決定采樣策略，因?yàn)槿绻瞎軐?dǎo)通時(shí)間太短，為了避開(kāi)MOSFET開(kāi)通關(guān)斷的影響，留給采樣的時(shí)間就變得很少，不利于采樣的準(zhǔn)確性.

在上管ON的時(shí)間比較長(zhǎng)時(shí)，在上管ON時(shí)遠(yuǎn)離MOSFET開(kāi)關(guān)時(shí)刻檢測(cè)懸浮相的反電動(dòng)勢(shì)電壓(一般在ON時(shí)間的正中間進(jìn)行采樣)。

此時(shí)的驅(qū)動(dòng)邏輯是A相上管導(dǎo)通，B相下管導(dǎo)通, 所以有

。

Ea, Eb, Ec為電機(jī)三相反電動(dòng)勢(shì)電壓，va, vb, vc為三相半橋中點(diǎn)電壓，也就是電機(jī)三相輸入電壓。

La, Lb, Lc為電機(jī)三相相電感，ia, ib,ic為電機(jī)三相輸入電流，Ra, Rb, Rc為電機(jī)三相輸入電阻(考慮三相電阻相等), vn為電機(jī)三相中點(diǎn)電壓。

可以得到當(dāng)Ec=0，也就是反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零時(shí)，

也就是說(shuō)當(dāng)ADC檢測(cè)到

時(shí)，就意味著這個(gè)時(shí)刻是C相的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)， 那么理論上再經(jīng)過(guò)1/12 的電周期時(shí)間，電機(jī)就需要進(jìn)行換向.

上管ON的時(shí)間比較短時(shí)，在上管OFF時(shí)檢測(cè)懸浮相的反電動(dòng)勢(shì)電壓(一般在OFF時(shí)間的正中間進(jìn)行采樣)

此時(shí)的驅(qū)動(dòng)邏輯是A相上管關(guān)閉，B相下管仍導(dǎo)通,此時(shí)A相下管MOSFET體二極管續(xù)流，所以有

。

得到當(dāng)Ec=0，也就是反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零時(shí),vc=0， 也就是說(shuō)當(dāng)ADC檢測(cè)到vc=0時(shí)，就意味著這個(gè)時(shí)刻是C相的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)， 那么理論上再經(jīng)過(guò)1/12的電周期時(shí)間，電機(jī)就需要進(jìn)行換向.

從上面的分析，我們可以看到，使用ADC采樣積分方式進(jìn)行無(wú)感BLDC控制，設(shè)計(jì)上需要注意以下兩點(diǎn)

積分閾值跟電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)峰值和轉(zhuǎn)速比值相關(guān)，可能會(huì)隨著電機(jī)不同而不同，需要針對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)整。

上管做PWM驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)下， 可以采用不同的ADC采樣策略來(lái)針對(duì)大duty和小duty的情況，同時(shí)反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)的判斷也需要調(diào)整

電機(jī)高速情況下，電頻率相對(duì)比較高，而ADC積分采樣基于PWM開(kāi)關(guān)周期采樣的，所以要獲得比較準(zhǔn)確的換相點(diǎn)，需要比較高的開(kāi)關(guān)頻率，如果開(kāi)關(guān)頻率比較低，意味著采樣速率慢，可能會(huì)造成換相延遲比較大，從而影響電機(jī)的正常控制。

審核編輯：郭婷