永磁無刷直流電機(jī)控制在電動(dòng)、園林工具上的應(yīng)用

1?電動(dòng)工具、園林工具介紹及控制難點(diǎn)

電動(dòng)、園林工具現(xiàn)在在人們的生活中已經(jīng)廣泛應(yīng)用，極大的方便了人們的生產(chǎn)、生活。像電動(dòng)扳手、槍鉆、電錘、角磨等工具在工業(yè)生產(chǎn)、基建裝修是隨處可見的；而園林工具現(xiàn)階段可能還是國(guó)外歐美地區(qū)用的更多，像割草機(jī)、暴風(fēng)機(jī)、打草機(jī)等很多老外都有自己的私人花園、草地對(duì)工具這類需求是比較求旺盛的。而隨著居民生活水平的不斷提高，消費(fèi)質(zhì)量也在明顯改善，對(duì)各類工具的需求也是越來越強(qiáng)烈，對(duì)工具的使用也是在不斷追求更智能化。

早期的電動(dòng)工具主要都是靠交流電機(jī)、有刷直流電機(jī)；它們?nèi)秉c(diǎn)也是很明顯的，體積大、效率低，特別是有刷電機(jī)，因?yàn)橛刑妓⒌拇嬖?，運(yùn)行過程中有電火花，一些對(duì)靜電，防火等級(jí)較高的場(chǎng)所無法使用。同時(shí)碳刷在使用的過程中存在磨損，長(zhǎng)時(shí)間使用需要定期更換。而隨著稀土永磁材料的發(fā)展以及半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進(jìn)步，無刷電機(jī)控制技術(shù)逐漸走向成熟，無刷電機(jī)有著更高的效率，配合電機(jī)運(yùn)用矢量技術(shù)效率甚至可以到90%以上。矢量技術(shù)運(yùn)用到直驅(qū)電機(jī)上，還可以大幅度降低噪聲和振動(dòng)，用戶的使用體驗(yàn)也會(huì)更佳。隨著控制技術(shù)的發(fā)展，對(duì)成本也越來越敏感，無位置傳感技術(shù)的應(yīng)用在電動(dòng)園林工具上也逐漸成為主流。

無刷無傳感電機(jī)主要優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在低成本，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒有碳刷的影響，使用壽命更長(zhǎng)，稀土磁鋼的應(yīng)用，功率密度可以做的更高，體積更小，采用直接驅(qū)動(dòng)的方式，沒有齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，噪聲，振動(dòng)也能更小。

無刷無傳感電機(jī)控制技術(shù)特點(diǎn)主要體現(xiàn)在工藝簡(jiǎn)單、可靠性高，成本更低；但是在不同工具上應(yīng)用，因其工況不一樣隨著堵轉(zhuǎn)性能的要求不斷提高，技術(shù)難度也隨之增加，吹風(fēng)機(jī)類的產(chǎn)品主要難度在與高轉(zhuǎn)速以及快速的順風(fēng)起動(dòng)；現(xiàn)在有些吹風(fēng)機(jī)用外轉(zhuǎn)子電機(jī)其電周期都2K以上，對(duì)高轉(zhuǎn)速控制提出了更改高的要求。像電動(dòng)扳手、修枝機(jī)類的產(chǎn)品要求有更快的啟動(dòng)速度，進(jìn)而獲得較大的啟動(dòng)瞬時(shí)扭矩；而電鏈鋸，割草機(jī)類的產(chǎn)品啟動(dòng)刀盤具有加大慣量，運(yùn)行過程則會(huì)有大負(fù)載的工況，要求具備一定抗堵能力。槍鉆則不僅要求有一定的啟動(dòng)扭矩，還要求具備一定的堵轉(zhuǎn)啟動(dòng)能力，同時(shí)還要求具備很強(qiáng)的抗堵性能，特別是遇到大負(fù)載狀態(tài)，保持電機(jī)持續(xù)輸出扭矩。在一些要求高的場(chǎng)合還要求低速狀態(tài)下也能持續(xù)扭矩輸出，而且不失步，并在停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)還能保持力矩輸出。以上都是DC類無傳感電動(dòng)工具要求的一些技術(shù)特點(diǎn)，而難度最高的則是AC類小電容技術(shù)，沒有大電容來濾波穩(wěn)壓，母線電壓周期性波動(dòng)，同時(shí)要求電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，大負(fù)載狀態(tài)下抗堵能力強(qiáng)，對(duì)整個(gè)電機(jī)控制算法上有了更高的要求。

2 BLDC電機(jī)控制難點(diǎn)解決原理和方法

電機(jī)主要分直流電機(jī)和交流電機(jī)，直流電機(jī)中又分為電勵(lì)磁式和永磁式；電勵(lì)磁長(zhǎng)常見就是串勵(lì)和并勵(lì)，在永磁式中主流就是有刷和無刷，無刷BLDC因其優(yōu)異的性能逐漸占據(jù)市場(chǎng)。在交流電機(jī)中工業(yè)生產(chǎn)、生活中目前主要還是異步電機(jī)居多，無論單相還是多相；但是同步類的永磁電機(jī)因?yàn)槠涓咝Ч?jié)能、加入一些智能化的控制和保護(hù)，也在逐漸取代異步電機(jī)。

這個(gè)圖片其實(shí)就是無刷電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單，帶有磁鋼部分的是轉(zhuǎn)子，含有線圈部分則是定子；如果是有霍爾電機(jī)，則會(huì)在定子結(jié)構(gòu)上排列霍爾傳感器。

無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括逆變器、電機(jī)本體、控制器、轉(zhuǎn)子位子檢測(cè)傳感器；控制器接收外部控制信號(hào)，并通過轉(zhuǎn)子位置傳感器獲取轉(zhuǎn)子位置；輸出控制信號(hào)控制逆變器的6路MOS管有序開通關(guān)斷，使電樞繞組依次饋電，從而在定子上產(chǎn)生跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

BLDC電機(jī)控制的難點(diǎn)之一關(guān)鍵就在如何有效獲取轉(zhuǎn)子的磁極位置，其二就是如何通過控制6個(gè)功率器件組成的3相半橋來控制電樞繞組通電順序，以形成跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。

首先要確定好BLDC電機(jī)6步換向的順序，從而形成跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；我們先在左邊畫一張這樣向量圖，A+,B+,C+三者之間的夾角為120°，A+的反方向就是A-,依次類推。假設(shè)第一拍是A+B-,轉(zhuǎn)子要求順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，那么下一排就是A+C-,再下一排就是B+C-,依次變換相鄰的一相，這樣6步換向的順序根據(jù)這張矢量圖也就很好的確定下來了。

我們先看右邊這張圖首先是A+C-通電，根據(jù)右手螺旋定則形成電樞磁動(dòng)勢(shì)Fa，與初始轉(zhuǎn)子位置D軸方向是磁動(dòng)勢(shì)Ff成120°夾角，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)當(dāng)夾角在60°時(shí)立馬換到下一拍A+C-；從而周而復(fù)始地?fù)Q向，轉(zhuǎn)子也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)；轉(zhuǎn)子和定子之間的夾角的平均角度可以認(rèn)為是90°。

對(duì)于無傳感驅(qū)動(dòng)的無刷電機(jī)而言，關(guān)鍵就是轉(zhuǎn)子位置的精確可靠識(shí)別；轉(zhuǎn)子的狀態(tài)又分為靜止?fàn)顟B(tài)還是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；靜止?fàn)顟B(tài)可以通過6脈沖定位方式確定轉(zhuǎn)子初始位置，如果轉(zhuǎn)子在運(yùn)動(dòng)，低速狀態(tài)下因?yàn)榉措妱?shì)變化緩慢，在有負(fù)載狀態(tài)下不能有效確定轉(zhuǎn)子位置變化，可以通過長(zhǎng)短脈沖插入的方式確定轉(zhuǎn)子位置。如果轉(zhuǎn)子在高速運(yùn)行，轉(zhuǎn)子位置變化趨勢(shì)明顯，可以通過反電勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)的方式確定轉(zhuǎn)子位置及變化趨勢(shì)。

下面我們來看在中高速狀態(tài)下檢測(cè)反電勢(shì)過零點(diǎn)中常用的方案，一種是直接在PWM_ON時(shí)刻采樣三路ADC，并根據(jù)懸空相電壓是母線電壓的一半時(shí)，則認(rèn)為檢測(cè)到了過零點(diǎn)；該方案硬件簡(jiǎn)單，成本低廉，但是占用CPU資源較高，軟件控制相對(duì)復(fù)雜。

以上是對(duì)第一種方案，PWM_ON時(shí)刻的理論推導(dǎo)；簡(jiǎn)化電機(jī)模型，列出三相動(dòng)態(tài)平衡方程，C相因?yàn)槭菓铱障酂o導(dǎo)通電流，帶入式子簡(jiǎn)化后可以得到ec等于0時(shí)；等于二分之一(UAG+ UBG)。

另一種方案則是ADC單路三次諧波電壓檢測(cè)，需要構(gòu)建一個(gè)虛擬中性點(diǎn)，單一通道采樣，節(jié)省ADC通道資源，在ADC采樣速率受限的情況，可以以更小的占空比采樣反電勢(shì)；但是對(duì)電機(jī)有一定要求，要求電機(jī)的磁場(chǎng)三次諧波分量和三次繞組系數(shù)較大才行，不過電動(dòng)園林工具類的電機(jī)基本是滿足該需求。

這種方式則是通過三路比較器實(shí)現(xiàn)，通過構(gòu)建一個(gè)虛擬中性點(diǎn)，并把它作為比較器的反向輸入端，作為比較參考點(diǎn)，懸空相的反電勢(shì)隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)反電勢(shì)在過零點(diǎn)之前會(huì)比虛擬中性點(diǎn)小，在過零點(diǎn)之后會(huì)比虛擬中性點(diǎn)大，從而比較器會(huì)輸出相應(yīng)的邊沿跳變，通過邊沿的跳變觸發(fā)IO口中斷實(shí)現(xiàn)換向動(dòng)作；通過比較器形式實(shí)現(xiàn)過零點(diǎn)檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，也能實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)速，一般3k的電周期沒問題，更高電周期則會(huì)受限于軟件的運(yùn)行速度，在一個(gè)換向周期內(nèi)，軟件相關(guān)的運(yùn)算能否及時(shí)完成。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在越來越多的芯片廠商將運(yùn)放和比較器直接集成在芯片中，通過軟件控制切換通道，則只要一個(gè)比較器也能實(shí)現(xiàn)過零點(diǎn)檢測(cè)。這種方案外圍電路簡(jiǎn)單，但需要加入一定的濾波，避免開關(guān)噪聲的影響。

對(duì)電機(jī)啟動(dòng)要求高的應(yīng)用，通常會(huì)采用輔助位置傳感器，確保啟動(dòng)的高可靠性；高速階段采用無傳感方式控制。早期的無傳感控制通常采用三段式啟動(dòng)，先預(yù)定位，再開環(huán)外同步加速，最后實(shí)現(xiàn)閉環(huán)過零點(diǎn)檢測(cè)控制。缺點(diǎn)就是在啟動(dòng)階段易受負(fù)載轉(zhuǎn)矩的影響，容易出現(xiàn)失步。為了提高無傳感控制的啟動(dòng)成功率，加入了轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)直接啟動(dòng)。

轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)是通過注入6脈沖以實(shí)現(xiàn)定位轉(zhuǎn)子位置；主要原理是基于定子鐵心的磁飽和原理，轉(zhuǎn)子永磁體對(duì)帶鐵心的線圈繞組有增磁和去磁作用；當(dāng)轉(zhuǎn)子N極靠近繞組線圈時(shí)，繞組線圈電感變小，當(dāng)N極距繞組線圈±90°電角度，電感增大；如左邊圖所示。

根據(jù)矢量圖采用一正一反的方式注入6脈沖A+B-C-,A-B+C+;A+B-C+,A-B+C-;A-B-C+A+B+C-;

并根據(jù)獲得的6個(gè)電流值，找出其中的最大值，再比較最大值電流的電壓矢量相鄰的兩個(gè)電流值；采用這種形式一般可以精確到轉(zhuǎn)子電角度30°的位置。

低速動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)采用的是注入長(zhǎng)短脈沖的方式實(shí)現(xiàn)，連個(gè)相鄰的兩個(gè)短脈沖用于檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，當(dāng)相鄰兩個(gè)電流值大小相等時(shí)，即可以認(rèn)為到了換向點(diǎn)，立即切換到下一拍；同時(shí)2號(hào)短脈沖也要切換到相鄰的矢量脈沖，繼續(xù)檢測(cè)電流的變化趨勢(shì)；這樣就能確保在低速狀態(tài)下，也能準(zhǔn)確換向不會(huì)失步。

3?基于MS8040芯片的電動(dòng)園林工具方案介紹

MS8040是上海晟矽微電子針對(duì)電動(dòng)園林工具市場(chǎng)開發(fā)的一款高性價(jià)比芯片；該芯片集成250V耐壓的高壓三相柵極驅(qū)動(dòng)器， MCU內(nèi)核是32位的ARMCortex-M0，芯片最高主頻48MHz 支持，32KBFLASH ROM，4K SRAM，12位高速ADC，多達(dá)10個(gè)外部通道。同時(shí)芯片還集成了2 個(gè)高性能電壓比較器和3個(gè)高增益運(yùn)算放大器，能夠滿足絕大多數(shù)電機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合。想要更詳細(xì)了解芯片相關(guān)信息可以掃碼關(guān)注微信公眾號(hào)或登錄晟矽微官網(wǎng)直接獲取。

該原理圖是MS8040芯片16V槍鉆的典型硬件設(shè)計(jì)，已經(jīng)在客戶端批量生產(chǎn)。

該方案支持直接采用三路反電勢(shì)ADC模式采樣，同時(shí)也支持在外部構(gòu)建虛擬中性點(diǎn)用比較器檢測(cè)過零點(diǎn)，也支持單路反電勢(shì)虛擬中性點(diǎn)采樣模式檢測(cè)過零點(diǎn)；ADC和比較器也支持混合使用。

MS8040方波方案可以只采用單通道采樣，節(jié)省ADC通道資源，因?yàn)橹恍枰宦稟DC反電勢(shì)采樣可以在更小空比下采樣。

基于虛擬中性點(diǎn)分壓反電勢(shì)采樣，中性點(diǎn)在PWM_ON時(shí)刻電壓一般呈弦波變化，其中點(diǎn)位置就是反電勢(shì)過零點(diǎn)位置，最大、最小值根據(jù)電機(jī)模型簡(jiǎn)化可以得到如上圖兩個(gè)電路，并運(yùn)用基爾霍夫定律，求出最大最小值，即可得中點(diǎn)位置電壓值，ADC采樣值和中點(diǎn)電壓閾值比較可以獲取到過零點(diǎn)信號(hào)。

過零點(diǎn)信號(hào)的有效提取，主要采用一個(gè)定時(shí)器，定時(shí)器1通道用于設(shè)置屏蔽過零點(diǎn)信號(hào)測(cè)檢測(cè)時(shí)間；在檢測(cè)到過零點(diǎn)信號(hào)后，屏蔽過零點(diǎn)檢測(cè)，避免續(xù)流信號(hào)干擾，并設(shè)置過零點(diǎn)屏蔽時(shí)間T2；T2的時(shí)間可以根據(jù)相鄰過零點(diǎn)時(shí)間T3設(shè)置，一般取T3的0.8-0.7范圍即可；定時(shí)器通道2用于延時(shí)換向時(shí)間T1的設(shè)置,在檢測(cè)到過零點(diǎn)信號(hào)后，讀取當(dāng)前定時(shí)器計(jì)數(shù)值，并將定時(shí)器計(jì)數(shù)值清零；即獲取了上一刻過零點(diǎn)到當(dāng)前一刻的過零點(diǎn)時(shí)間，也是6步換向，其中一扇區(qū)的時(shí)間，并將該扇區(qū)一半時(shí)間作為延時(shí)T1的值。到了相應(yīng)的T1時(shí)間觸發(fā)中斷，進(jìn)入定時(shí)器通道2中斷實(shí)現(xiàn)換向動(dòng)作，經(jīng)過時(shí)間T2，進(jìn)入定時(shí)器通道1中斷中開啟過零點(diǎn)檢測(cè)。

4?實(shí)際應(yīng)用問題以及解決方式

MOS管發(fā)熱嚴(yán)重時(shí)，特別是在小占空比情況MOS發(fā)熱很快，可以改用上下管互補(bǔ)調(diào)制的模式，相當(dāng)于開關(guān)電源里面的同步整流模式，這樣在換向時(shí)刻的續(xù)流電流不經(jīng)過下橋的體二極管，而是直接通過MOS內(nèi)阻，導(dǎo)通損耗可以大幅度降低。右上角的波形即是采用非互補(bǔ)模式，負(fù)載較小時(shí)，續(xù)流電流也很小，在PWM_OFF時(shí)刻出現(xiàn)反電勢(shì)波形；當(dāng)然如果負(fù)載較大時(shí)，續(xù)流時(shí)間較長(zhǎng)，被下管鉗位也就不會(huì)出現(xiàn)。右下圖就是采用互補(bǔ)模式，小負(fù)載狀態(tài)下PWM_OFF時(shí)刻相線被強(qiáng)制接地，也就不會(huì)出現(xiàn)OFF時(shí)刻有反電勢(shì)波形。

如果想要6路MOS發(fā)熱更佳均勻可以采用前PWM_后ON模式，在一個(gè)120°電角度中前60°PWM調(diào)制；后60°常開的方式，這樣每個(gè)MOS都參與了調(diào)制和常開，整體開關(guān)損耗一致，發(fā)熱也會(huì)更加均勻。

換向超前角的調(diào)整，在超前角設(shè)置合理的狀態(tài)，相線電流波形一般波動(dòng)幅度不大；我們可以參考相線電流的變化趨勢(shì)，恰當(dāng)調(diào)整超前角，如左下圖所示，電流前低后高出現(xiàn)一個(gè)斜向上的趨勢(shì)，說明超前角偏小，相位有點(diǎn)滯后；而右下圖的相線電流時(shí)先高后低，呈現(xiàn)一個(gè)斜向下的趨勢(shì)，說明超前角設(shè)置偏大，相位超前了。

增加超前角可以實(shí)現(xiàn)電流相位超前控制，可以減小電流峰值；同時(shí)電流相位超前反電勢(shì)，也具有弱磁效果；如左下圖所示，如果電勵(lì)磁Fa和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)Ff的夾角一直大于90°時(shí)，那么電勵(lì)磁Fa的分量可以和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)Ff抵消一部分；也就相當(dāng)于減弱了轉(zhuǎn)子磁勢(shì)，即實(shí)現(xiàn)了弱磁控制；這時(shí)候電機(jī)轉(zhuǎn)速也會(huì)有所提升。

　　審核編輯：湯梓紅