電子電路|關(guān)于無刷無霍爾BLCD電機(jī)控制解析

1.概述

無霍爾的BLDC控制方案與有霍爾BLDC的基本原理相似，都是用所謂“六步換向法”，根據(jù)轉(zhuǎn)子當(dāng)前的位置，按照一定的順序給定子繞組通電使BLDC電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

所不同的是無霍爾BLDC不需要霍爾效應(yīng)傳感器，通過檢測(cè)定子繞組的反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)來判斷轉(zhuǎn)子當(dāng)前的位置。與有霍爾的方案相比，最明顯的優(yōu)點(diǎn)就是降低了成本、減小了體積。且電機(jī)引線從8根變?yōu)?根，使接線調(diào)試都大為簡(jiǎn)化。

另外，霍爾傳感器容易受溫度和磁場(chǎng)等外界環(huán)境的影響，故障率較高。因此，無霍爾BLDC得到越來越多的應(yīng)用，在很多場(chǎng)合正逐步取代有霍爾BLDC。 本文介紹三相BLDC電機(jī)的無霍爾控制理論。根據(jù)特定的應(yīng)用場(chǎng)合，具體的實(shí)現(xiàn)方法會(huì)有所不同。

2.BLDC電機(jī)結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)方式簡(jiǎn)介

一個(gè)簡(jiǎn)單的BLDC的構(gòu)造如圖1所示。電機(jī)外層是定子，包含電機(jī)繞組。多數(shù)BLDC都有三個(gè)Y型連接的繞組，這些繞組中的每一個(gè)都是由許多線圈互連組成的。

電機(jī)內(nèi)部是轉(zhuǎn)子，由圍繞電機(jī)圓周的磁性相反的磁極組成。圖1顯示了僅帶有兩個(gè)磁極（南北磁極）的轉(zhuǎn)子，在實(shí)際應(yīng)用中，大多數(shù)電機(jī)的轉(zhuǎn)子具有多對(duì)磁極。

圖1BLCD基本結(jié)構(gòu)

BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的基本模型如圖2所示。通過開關(guān)管Q0~Q5來控制電機(jī)三相繞組的通電狀態(tài)，開關(guān)管可以為IGBT或者功率MOS管。其中位于上方即與電源正端連接的開關(guān)管稱為“上橋”，下方即與電源負(fù)端連接的開關(guān)管稱為“下橋”。

圖2BLCD電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路基本模型

例如，若Q1、Q4打開，其它開關(guān)管都關(guān)閉，則電流從電源正端經(jīng)Q1、A相繞組、C相繞組、Q4流回電源負(fù)端。流過A、C相定子繞組的電流會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，由右手定則可知其方向與B相繞組平行。由于轉(zhuǎn)子是永磁體，在磁場(chǎng)力的作用下會(huì)向著與定子磁場(chǎng)平行的方向旋轉(zhuǎn)，即轉(zhuǎn)到與B相繞組平行的位置，使轉(zhuǎn)子的北磁極與定子磁場(chǎng)的南磁極對(duì)齊。 類似地，打開不同的上、下橋臂MOS管組合，就可控制電流的流向，產(chǎn)生不同方向的磁場(chǎng)，使永磁體轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到指定的位置。

要使BLDC電機(jī)按指定的方向連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，就必須按一定的順序給定子繞組通電。從一種通電狀態(tài)到另一種通電狀態(tài)的切換稱為“換相”，例如從AB通電變化到AC通電。換相使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到下一個(gè)位置。上下橋臂各3個(gè)開關(guān)管，共六種組合，因此每60°變化一次，經(jīng)過六步換相就能使電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)電氣周期。這就是所謂的“六步換相法”。

要使轉(zhuǎn)子具有最大的轉(zhuǎn)矩，理想的情況是使定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向垂直。但是實(shí)際上由于定子磁場(chǎng)方向每60°才變化一次，而轉(zhuǎn)子在一直不停旋轉(zhuǎn)，不可能時(shí)刻使它們保持90°的相位差。最優(yōu)化的方法就是在每次換相時(shí)使定子磁場(chǎng)領(lǐng)先轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向120°電角度，這樣在接下來轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)60°的過程中，定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向的夾角從120°變化到60°，轉(zhuǎn)矩的利用率最高。 為了確定按照通電順序哪一個(gè)繞組將得電，必須知道轉(zhuǎn)子當(dāng)前的位置。

在有霍爾的BLDC中，轉(zhuǎn)子的位置由定子中嵌入的霍爾效應(yīng)傳感器檢測(cè)。無霍爾BLDC電機(jī)不借助位置傳感器，而是利用電機(jī)本身的特征信號(hào)來取得與位置傳感器類似的效果，其中應(yīng)用最多的就是本文下一節(jié)要介紹的反電動(dòng)勢(shì)法。

3.反電動(dòng)勢(shì)法控制BLDC電機(jī)的原理

BLDC電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，永磁體轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)在電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，每相繞組都會(huì)感應(yīng)出反電動(dòng)勢(shì)（BEMF，Back Electromotive Force）。BLDC電機(jī)的BEMF波形隨轉(zhuǎn)子的位置和速度變化，整體上呈現(xiàn)為梯形。

圖3給出了電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)電周期中電流和反電動(dòng)勢(shì)的波形，其中的實(shí)線代表電流，虛線代表反電動(dòng)勢(shì)，橫坐標(biāo)為電機(jī)旋轉(zhuǎn)的電氣角度，根據(jù)BLDC的“六步換向”控制理論，我們知道在任意時(shí)刻三相BLDC只有兩相通電，另一相開路，三相兩兩通電，共有六種組合，以一定的順序每60°變化一次，這樣產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，拉動(dòng)永磁體轉(zhuǎn)子隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。

這里的60°指的是電氣角度，一個(gè)電周期可能并不對(duì)應(yīng)于一個(gè)完整的轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)周期。完成一圈機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)要重復(fù)的電周期數(shù)取決于轉(zhuǎn)子的磁極對(duì)數(shù)。每對(duì)轉(zhuǎn)子磁極需要完成一個(gè)電周期，因此，電周期數(shù)/轉(zhuǎn)數(shù)等于轉(zhuǎn)子磁極對(duì)數(shù)。

控制BLDC的關(guān)鍵就是確定換相的時(shí)刻。從圖3中可以看出，在每?jī)蓚€(gè)換相點(diǎn)的中間都對(duì)應(yīng)一個(gè)反電動(dòng)勢(shì)的極性改變的點(diǎn)，即反電動(dòng)勢(shì)從正變化為負(fù)或者從負(fù)變化為正的點(diǎn)，稱為過零點(diǎn)。利用反電動(dòng)勢(shì)的這個(gè)特性，只要我們能夠準(zhǔn)確檢測(cè)出反電動(dòng)勢(shì)的過零點(diǎn)，將其延遲30°，即為需要換相的時(shí)刻。

4.反電動(dòng)勢(shì)的檢測(cè)方法

從圖3中可以看出，每次的反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)都發(fā)生在不通電的那一相。例如圖3中第一個(gè)60°內(nèi)，A相電流為正，B相電流為負(fù)，C相電流為零，這說明電機(jī)AB相通電，電流從A相流入B相，C相為開路。反電動(dòng)勢(shì)的過零點(diǎn)正好出現(xiàn)在C相。而且由于C相不通電，沒有電流，其相電壓就與反電動(dòng)勢(shì)有直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此只要在每個(gè)60°內(nèi)檢測(cè)不通電那一相的電壓，即可檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)。

4.1 重構(gòu)虛擬中性點(diǎn)

由于BLDC電機(jī)的Y形連接，三相都接到公共的中性點(diǎn)，相電壓無法直接測(cè)量。只能測(cè)量各相的端電壓，即各相對(duì)地的電壓，然后與中性點(diǎn)電壓比較，當(dāng)端電壓從大于中性點(diǎn)電壓變?yōu)樾∮谥行渣c(diǎn)電壓，或者從小于中性點(diǎn)電壓變?yōu)榇笥谥行渣c(diǎn)電壓，即為過零點(diǎn)。原理圖如圖4(a)所示。

圖4檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)

但是一般的BLDC電機(jī)都沒有中性點(diǎn)的外接引線，因此無法直接測(cè)量中性點(diǎn)電壓。解決這個(gè)問題最直接的辦法就是重構(gòu)一個(gè)“虛擬中性點(diǎn)”，通過將三相繞組分別通過阻值相等的電壓連接到一個(gè)公共點(diǎn)而成，這個(gè)公共點(diǎn)就是虛擬中性點(diǎn)，如圖4(b)所示。

重構(gòu)虛擬中性點(diǎn)的方法有一定的實(shí)用性，但是也有很大的不足。由于BLDC電機(jī)是用PWM方式驅(qū)動(dòng)，PWM在一個(gè)周期內(nèi)先輸出“ON”后，輸出“OFF”；當(dāng)PWM為“ON”時(shí)電機(jī)繞組通電，為“OFF”時(shí)關(guān)斷。于是加在電機(jī)繞組兩端的電壓不斷地在高電平和低電平之間切換，其中性點(diǎn)電壓中包含了大量的開關(guān)噪聲。若對(duì)中性點(diǎn)電壓進(jìn)行濾波，一方面增加了電路的復(fù)雜度，另一方面濾波電路會(huì)造成信號(hào)的相移，使檢測(cè)到的過零點(diǎn)比實(shí)際發(fā)生的時(shí)刻后移，無法準(zhǔn)確地指導(dǎo)換向。

4.2 在PWM ON區(qū)間對(duì)反電動(dòng)勢(shì)采樣

實(shí)際上，如果我們只在PWM為“ON”區(qū)間進(jìn)行反電動(dòng)勢(shì)的采樣，則不用直接檢測(cè)中性點(diǎn)電壓，而可以用總端電壓的一半來代替。推導(dǎo)過程如下。

圖5PWMON區(qū)間的中性點(diǎn)電壓

假設(shè)采用H-PWM-L-OM的調(diào)制方式（詳見5.2節(jié)：PWM調(diào)制方式），即上橋臂采用PWM調(diào)制，下橋臂恒通，圖5為PWM為“ON”時(shí)簡(jiǎn)化的BLDC電機(jī)等效電路，電機(jī)的每相都等效為一個(gè)電阻、電感和反電動(dòng)勢(shì)的串聯(lián)。假設(shè)當(dāng)前為AB通電，電流從A相流入B相，C相開路。Vdc為直流母線電壓，Va、Vb、Vc分別為A、B、C相的端電壓，Vn為中性點(diǎn)電壓，ea、eb、ec分別為A、B、C相的反電動(dòng)勢(shì)。

對(duì)A相列電壓回路方程：

Vn=Vdc?Vmos?ri?Ldidt?eaVn=Vdc?Vmos?ri?Ldidt?ea

(4.2.1)

對(duì)B相列電壓回路方程：

Vn=Vmos+ri+Ldidt?ebVn=Vmos+ri+Ldidt?eb

(4.2.2)

其中Vmos為MOS管上的壓降。以上兩式相加得：

Vn=Vdc2+ea+eb2Vn=Vdc2+ea+eb2

(4.2.3)

對(duì)于三相平衡的系統(tǒng)，若忽略三次諧波，有

ea+eb+ec=0ea+eb+ec=0

(4.2.4)

將(5.2.4)代入(5.2.3)得

Vn=Vdc2+ec2Vn=Vdc2+ec2

(4.2.5)

于是可得C相端電壓為

Vc=Vn+ec=Vdc2+32ecVc=Vn+ec=Vdc2+32ec

(4.2.6)

由上式可以看出，不通電相的端電壓由該相的反電動(dòng)勢(shì)迭加在Vdc/2上而形成，因此可以通過比較不通電相的端電壓與 Vdc/2上的大小來檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)。用這種方法避免了開關(guān)噪聲的影響，因此也無需增加濾波電路。

為了避免PWM剛由“OFF”變?yōu)椤癘N”時(shí)會(huì)出現(xiàn)的尖峰電壓，一般在PWM進(jìn)入“ON”狀態(tài)后再延時(shí)一段時(shí)間再進(jìn)行反電動(dòng)勢(shì)采樣，如圖6所示。這個(gè)功能用SH79F168的PWM的中心對(duì)齊模式可以很方便地實(shí)現(xiàn)。在中心對(duì)齊模式下，PWM的周期中斷發(fā)生在“ON”狀態(tài)的中間位置。于是我們可以把PWM設(shè)為中心對(duì)齊模式，然后在周期中斷中進(jìn)行反電動(dòng)勢(shì)采樣。

但是這種方法有一個(gè)不足，就是PWM的占空比不能太小，否則PWM為“ON”的時(shí)間太短，來不及進(jìn)行AD采樣，從而無法準(zhǔn)確判斷過零點(diǎn)，使電機(jī)的換相發(fā)生錯(cuò)亂，無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在電機(jī)進(jìn)入閉環(huán)控制后，PWM占空比越小轉(zhuǎn)速越低，因此這種方法不適用于要求實(shí)現(xiàn)極低轉(zhuǎn)速的場(chǎng)合?，F(xiàn)實(shí)中要求電機(jī)能進(jìn)行極低速運(yùn)轉(zhuǎn)的場(chǎng)合不多，所以這種方法也能適用于大多數(shù)應(yīng)用。

還有一個(gè)要注意的問題，就是剛換相后的一段時(shí)間內(nèi)，若當(dāng)前斷開相繞組在換相前是接電源正端，則其端電壓在剛換相的瞬間會(huì)迅速降落至電源負(fù)端電壓，形成一個(gè)向下的尖峰；若當(dāng)前斷開相繞組在換相前是接電源負(fù)端，則其端電壓在剛換相的瞬間會(huì)迅速升高到電源正端電壓，形成一個(gè)向上的尖峰。這種現(xiàn)象在PWM占空比越大時(shí)越明顯，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，如圖7所示。

產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，在剛換相的瞬間，由于電機(jī)繞組的電感效應(yīng)，斷開相繞組內(nèi)的電流不會(huì)馬上消失，根據(jù)電流的方向不同，會(huì)通過上橋臂或下橋臂的開關(guān)管的體二極管進(jìn)行續(xù)流，持續(xù)一段時(shí)間才消失。電流越大，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)。

以圖5為例，若電機(jī)從圖示中的AB通電切換到AC通電，B相繞組斷開，上下橋臂的開關(guān)管都關(guān)閉。當(dāng)時(shí)B相繞組中從中性點(diǎn)流入的電流不會(huì)馬上消失，于是通過上橋臂的體二極管續(xù)流，與電源正端短路，于是會(huì)出現(xiàn)一個(gè)正的尖峰；類似地，若電機(jī)從圖示狀態(tài)切換到CB通電，A組上下橋臂的開關(guān)管都關(guān)閉，根據(jù)電流的方向，只能通過下橋臂體二極管續(xù)流，與電源負(fù)端短路，于是出現(xiàn)一個(gè)負(fù)的尖峰。

電流越大，續(xù)流時(shí)間越長(zhǎng)，尖峰越寬。

顯然，在剛換相的PWM周期采樣的話，很可能受到這個(gè)尖峰電壓的影響，不能反映正確的反電動(dòng)勢(shì)。因此可以根據(jù)PWM占空比的大小，選擇在剛換相的一到兩個(gè)PWM周期內(nèi)不進(jìn)行采樣，避開尖峰電壓。

4.3 在PWM OFF區(qū)間對(duì)反電動(dòng)勢(shì)采樣

若要求能在極低速下電機(jī)也能運(yùn)轉(zhuǎn)，則可以采用在PWM OFF區(qū)間對(duì)反電動(dòng)勢(shì)采樣的方法。

要理解下面的內(nèi)容，首先要對(duì)開關(guān)管的結(jié)構(gòu)有一個(gè)基本的認(rèn)識(shí)。不論是IGBT還是功率MOS管，在其C極和E極（或者D極和S極）之間都有一個(gè)反向并聯(lián)的二極管，稱為體二極管，如圖2中的開關(guān)管所示。

當(dāng)驅(qū)動(dòng)端的PWM由圖5所示的ON狀態(tài)切換到圖8所示的OFF狀態(tài)時(shí)，由于電機(jī)繞組的電感效應(yīng)，繞組內(nèi)的電流不會(huì)馬上消失，于是經(jīng)過下橋臂MOS管的體二極管續(xù)流形成回路，如圖8所示。若忽略二極管的壓降，

對(duì)A相列回路方程有：

Vn=0?ri?Ldidt?eaVn=0?ri?Ldidt?ea

(4.3.1)

對(duì)B相列回路方程：

Vn=ri+Ldidt?ebVn=ri+Ldidt?eb

(4.3.2)

對(duì)于三相平衡的系統(tǒng)，若忽略高次諧波，有 以上三式相加得

ea+eb+ec=0ea+eb+ec=0

(4.3.3)

以上三式相加得：

Vn=ec2Vn=ec2

(4.3.4)

于是得C相端電壓為

Vc=Vn+ec=32ecVc=Vn+ec=32ec

(4.3.5)

因此，在PWM OFF區(qū)間對(duì)斷開相繞組的端電壓進(jìn)行采樣，所得電壓值與反電動(dòng)勢(shì)的大小成比例，其過零點(diǎn)也直接反映了反電動(dòng)勢(shì)的過零點(diǎn)。

由于這種方法需要一定的PWM OFF區(qū)間進(jìn)行采樣，因此在PWM DUTY為100%時(shí)不能實(shí)施，即電機(jī)不能達(dá)到滿速。另外，在PWM剛進(jìn)入OFF狀態(tài)時(shí)，由于下橋臂MOS管的體二極管的續(xù)流，斷開相的電壓會(huì)被鉗在-0.7V，因此也要先延時(shí)一段時(shí)間再進(jìn)行采樣，這增大了軟件實(shí)現(xiàn)的難度。

為了有充足的采樣時(shí)間，一般在PWM占空比較大時(shí)在PWM ON區(qū)間采樣，在PWM占空比很小時(shí)在PWM OFF區(qū)間采樣。但是當(dāng)PWM占空比很小時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速較低，反電動(dòng)勢(shì)也會(huì)很小，因此檢測(cè)的精度會(huì)受到限制。

5 閉環(huán)調(diào)速

只要能準(zhǔn)確地檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)的過零點(diǎn)，就能方便地進(jìn)行閉環(huán)調(diào)速。

5.1 閉環(huán)的建立

每一相的反電動(dòng)勢(shì)都有兩種過零情況：從正變?yōu)樨?fù)和從負(fù)變?yōu)檎?。三相共有六種過零情況，對(duì)應(yīng)六種換相狀態(tài)，且這種對(duì)應(yīng)關(guān)系是固定不變的。于是我們可以首先將這個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系寫入一個(gè)表中，程序中每檢測(cè)到一個(gè)過零點(diǎn)，就通過查表來決定相應(yīng)的IO輸出，控制下一步哪兩相通電；然后切換到當(dāng)前的斷開相繼續(xù)檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)，如此循環(huán)，直至建立穩(wěn)定的閉環(huán)。

理論上，過零點(diǎn)總是超前換相點(diǎn)30°電角度，如圖3所示。因此在檢測(cè)到過零點(diǎn)后，要先延遲30°電角度再換相。但是在閉環(huán)調(diào)速過程中，電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)電氣周期的時(shí)間不是固定不變的，我們無法預(yù)測(cè)在檢測(cè)到過零點(diǎn)后接下來的這30°電角度是多長(zhǎng)時(shí)間。那麼在檢測(cè)到過零點(diǎn)之后，怎樣決定延時(shí)時(shí)間呢？

雖然我們無法預(yù)測(cè)接下來的30°電角度是多長(zhǎng)，但是剛剛過去的這個(gè)換相周期即兩個(gè)換相點(diǎn)之間60°電角度的長(zhǎng)度是可以測(cè)量的。在每次換相時(shí)將timer清零，在下一次換相時(shí)讀取的timer值就是這個(gè)換相周期的長(zhǎng)度。于是我們可以采用近似的辦法，用上一個(gè)換相周期，即60°電角度的時(shí)間減半，作為接下來的30°電角度延時(shí)時(shí)間。這種方法是可行的，因?yàn)殡姍C(jī)的轉(zhuǎn)速是漸變的，相鄰兩個(gè)換相周期的時(shí)間相差不會(huì)很大。

5.2 PWM調(diào)制方式

電機(jī)進(jìn)入閉環(huán)后，只要通過調(diào)節(jié)PWM的占空比即可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。電機(jī)各繞組的通電和判斷都用PWM端口控制，PWM占空比大時(shí)，流過電機(jī)繞組的電流大，定子磁場(chǎng)就強(qiáng)，轉(zhuǎn)速就高；反之PWM占空比小時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速就低。

PWM調(diào)制方式有兩種：全橋調(diào)制和半橋調(diào)制。在120°導(dǎo)通期間，對(duì)功率逆變橋的上橋和下橋都采用PWM方式驅(qū)動(dòng)，即“全橋調(diào)制”；在120°導(dǎo)通期間，只對(duì)功率逆變橋的上橋（或者下橋）采用PWM方式驅(qū)動(dòng)，下橋（或上橋）恒通，稱為“半橋調(diào)制”。

全橋調(diào)制下MOS管的開關(guān)頻率是半橋調(diào)制方式的兩倍左右，損耗比較大，因而很少用到。半橋調(diào)制方式又有H-PWM-L-ON（在120°導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)（下同），上橋臂MOS管用PWM調(diào)制，下橋臂MOS管恒通）、H-ON-L-PWM（上橋臂MOS管恒通，下橋臂MOS管用PWM調(diào)制）、PWM-ON（前60°PWM，后60°恒通）、ON-PWM（前60°恒通，后60°PWM）等多種，各有其特點(diǎn)，可根據(jù)具體電路和應(yīng)用場(chǎng)合選擇特定的調(diào)制方式。其中最常用的是前兩種，實(shí)現(xiàn)起來比較簡(jiǎn)單且能滿足一般應(yīng)用。

6 BLDC電機(jī)的起動(dòng)方式

BLDC電機(jī)控制的最大難點(diǎn)并不是位置檢測(cè)和換相，而是起動(dòng)方式。由于電機(jī)繞組的反電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)速正相關(guān)，當(dāng)轉(zhuǎn)速很低時(shí)，BEMF也非常小以致很難準(zhǔn)確檢測(cè)。因此電機(jī)從零轉(zhuǎn)速起動(dòng)時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)法常常不能適用。必須先借助其它方法將電機(jī)拉到一定速度，使BEMF達(dá)到能夠被檢測(cè)的水平，才能切換到反電動(dòng)勢(shì)法進(jìn)行控制。

6.1 定位

只有先確定了靜止時(shí)轉(zhuǎn)子的位置，才能決定起動(dòng)時(shí)第一次應(yīng)觸發(fā)哪兩個(gè)開關(guān)管，我們把確定轉(zhuǎn)子初始位置的過程叫做定位。

6.1.1 兩相通電法定位

最簡(jiǎn)單而常用的方法是給任意兩相通電，并控制電機(jī)電流不致過大，通電一段時(shí)間后，轉(zhuǎn)子就會(huì)轉(zhuǎn)到與該通電狀態(tài)對(duì)應(yīng)的預(yù)知位置，完成轉(zhuǎn)子的定位。以圖9為例，若給AB兩相通電，則定子磁勢(shì)Fa的位置如圖所示，此時(shí)若轉(zhuǎn)子磁勢(shì)Ff在圖示位置，則轉(zhuǎn)子將順時(shí)針轉(zhuǎn)過120°電角度，與定子磁場(chǎng)方向?qū)R。

為了避免這個(gè)問題，可以先給AC、BC通電，形成的磁場(chǎng)方向與Fa垂直，則轉(zhuǎn)子必會(huì)轉(zhuǎn)到Fa垂直的位置（即使這時(shí)又有死鎖，轉(zhuǎn)子在與指定方向成180°角的位置，也還是與Fa垂直），然后再給AB通電，則能夠確保轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到Fa方向。

6.1.2 變感檢測(cè)法定位

一種更有效的方法是利用電機(jī)繞組電感的變化來檢測(cè)轉(zhuǎn)子的初始位置。這種方法不依賴于電機(jī)的任何特性，因此對(duì)任意電機(jī)都適用，甚至改變電機(jī)的起動(dòng)負(fù)載，還是能有效地實(shí)現(xiàn)定位。該方法基于如下的原理：對(duì)處于永磁體磁場(chǎng)中的線圈施加一個(gè)電壓，根據(jù)磁場(chǎng)方向的不同，產(chǎn)生的電流會(huì)增強(qiáng)或削弱磁場(chǎng)的強(qiáng)度，從而使線圈電感減小或增大。

具體實(shí)現(xiàn)方法如圖10所示，先將某一相繞組連接到高電平，另外兩相接地，這時(shí)產(chǎn)生的定子磁場(chǎng)方向如圖所示。然后將接地的兩相繞組改接到高電平，原來接高電平的繞組接地，產(chǎn)生一個(gè)方向相反的磁場(chǎng)。

兩種情況的通電時(shí)間都很短，轉(zhuǎn)子并不轉(zhuǎn)動(dòng)，繞組中產(chǎn)生一個(gè)電流脈衝。比較這兩種情況下電流脈衝的大小，即可比較出兩次繞組電感的大小，從而可把轉(zhuǎn)子定位在180°的范圍內(nèi)。然后換一相電機(jī)繞組重復(fù)剛才的過程，把轉(zhuǎn)子定位在另外180°的范圍內(nèi)。三相繞組各進(jìn)行一次檢測(cè)，三個(gè)范圍的重合處，即可確定轉(zhuǎn)子所在的60°范圍。

由于這種方法每次繞組通電的時(shí)間都很短，因此不會(huì)擔(dān)心過流的問題。另外由于不會(huì)改變轉(zhuǎn)子位置，在轉(zhuǎn)子運(yùn)行的間隙中也可以用這種方法來檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置。

6.2 加速

明確了轉(zhuǎn)子的初始位置后，就能夠決定第一次應(yīng)該打開哪幾個(gè)開關(guān)管，使哪兩相通電，控制轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)到下一個(gè)位置，即第一次換相。如果這第一次換相時(shí)在斷開相繞且中產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)就足夠檢測(cè)過零點(diǎn)，則可以直接進(jìn)入閉環(huán)控制。

但是實(shí)際情況往往沒有這麼理想，在電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)第一次換相時(shí)的速度下，往往不足以產(chǎn)生足夠的反電動(dòng)勢(shì)來實(shí)現(xiàn)過零點(diǎn)檢測(cè)。因此我們只能先將電機(jī)開環(huán)加速到一定的轉(zhuǎn)速，使反電動(dòng)勢(shì)達(dá)到能夠檢測(cè)過零點(diǎn)的水平，再切換到閉環(huán)調(diào)速。

由于開環(huán)加速是很不穩(wěn)定的，必須事先設(shè)計(jì)合理的加速曲線。一種方法是先通過試驗(yàn)確定加速曲線上的3~4個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，然后擬合出整條曲線的表達(dá)式。

此法的成功實(shí)現(xiàn)，受電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩、外施電壓、加速曲線及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等諸多因素影響。通過優(yōu)化加速曲線，此法能保證電機(jī)順利起動(dòng)，但是對(duì)不同電機(jī)、不同負(fù)載，所對(duì)應(yīng)的優(yōu)化加速曲線不一樣，導(dǎo)致通用性不強(qiáng)。

還有一種加速方法是利用前面“定位”一小節(jié)中介紹的變感檢測(cè)法，每加速一段時(shí)間后就用這種方法檢測(cè)一次轉(zhuǎn)子位置，然后根據(jù)轉(zhuǎn)子位置調(diào)整要通電的相序，繼續(xù)加速。不斷重復(fù)檢測(cè)——加速——檢測(cè)——加速??直到電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)到需要的速度為止。

6.3 切換到閉環(huán)

如果不想花過多精力在制訂加速曲線上，也可以用另外一種方法來切換到閉環(huán)。這種方法對(duì)轉(zhuǎn)子和定子磁場(chǎng)的相位差沒有要求，只要電機(jī)能加速到足夠的轉(zhuǎn)速后，將三相繞組全部開路，則轉(zhuǎn)子處于不受控狀態(tài)，憑藉慣性繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。這時(shí)三相繞組中都沒有電流，都可以進(jìn)行反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)，而不用擔(dān)心前面提到的反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)發(fā)生在通電相而無法檢測(cè)的情況。

在連續(xù)檢測(cè)到幾次過零點(diǎn)之后，就可以切換到閉環(huán)。在三相全部斷電后，電機(jī)在慣性作用下一般至少還會(huì)旋轉(zhuǎn)數(shù)十個(gè)電氣周期，其中轉(zhuǎn)速在反電動(dòng)勢(shì)能夠檢測(cè)的水平之上的周期至少也有十幾個(gè)，足夠進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)，因此這種方法是可行的。不足是這種方法在負(fù)載轉(zhuǎn)矩較大時(shí)不適用。

7 總結(jié)

綜合以上各部分的介紹，最后按實(shí)際執(zhí)行的順序，將無霍爾BLDC的控制過程再大致概括如下：

1、定位。主要介紹了兩相通電法和變感檢測(cè)法，從理論上講，后者是更好的方法，但是我還沒有實(shí)際驗(yàn)證過。

2、加速。在我實(shí)際接觸的項(xiàng)目中，針對(duì)我們所用的電機(jī)，不需要加速就可以直接進(jìn)入閉環(huán)。但本文提到的幾種加速方法，除了結(jié)合變感檢測(cè)法的那種，也都經(jīng)過了實(shí)踐檢驗(yàn)。

3、切換到閉環(huán)。在開環(huán)階段即不斷嘗試檢測(cè)斷開相的反電動(dòng)勢(shì)，若能穩(wěn)定檢測(cè)后，則可切換到閉環(huán)。

4、用反電動(dòng)勢(shì)法進(jìn)行閉環(huán)控制。在PWM ON區(qū)間，對(duì)斷開相繞組的端電壓進(jìn)行采樣，并與直流母線電壓的一半進(jìn)行比較，即可得出過零點(diǎn)。通過反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)即可判斷轉(zhuǎn)子當(dāng)前的位置，進(jìn)而決定下一步應(yīng)該哪兩相通電。

由于換相時(shí)產(chǎn)生的尖峰電壓，在剛換相的一段時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到的反電動(dòng)勢(shì)可能不準(zhǔn)確，要根據(jù)實(shí)際情況選擇放棄前面一至兩個(gè)PWM周期的電壓采樣值。若要求實(shí)現(xiàn)極低速閉環(huán)控制，可在PWM OFF區(qū)間對(duì)斷開相端電壓采樣，采樣值的過零點(diǎn)即為反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)。

5、進(jìn)入閉環(huán)后，通過改變PWM的占空比即可調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，占空比越大轉(zhuǎn)速越高。

無霍爾BLDC控制最大的難點(diǎn)就是起動(dòng)問題。本文介紹的種種使電機(jī)起動(dòng)的方法，都有其局限性，尚沒有一種可靠而通用的方法，可以實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用條件下不同特性的無霍爾BLDC的可靠起動(dòng)。我們只能根據(jù)實(shí)際條件，有針對(duì)性的選擇某一種起動(dòng)方法。
但是隨著電機(jī)技術(shù)本身的發(fā)展，將來可能越來越多的無霍爾BLDC都能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度和靈敏度更高的反電動(dòng)勢(shì)，從而可以直接進(jìn)入閉環(huán)，使控制過程大大簡(jiǎn)化。

編輯：jq