為獲得轉(zhuǎn)子當(dāng)前位置，需要采用某種轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)環(huán)節(jié)。在有位置傳感器的系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)是通過(guò)一系列霍爾效應(yīng)傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，霍爾效應(yīng)傳感器能夠感知轉(zhuǎn)子永磁磁極的位置。霍爾換相控制已在CW32電機(jī)控制基礎(chǔ)——無(wú)刷直流電機(jī)換相控制原理有講解。但位置傳感器的存在，增加了無(wú)刷直流電機(jī)的重量和結(jié)構(gòu)尺寸，且不易安裝和維護(hù)；同時(shí)，傳感器的安裝精度和靈敏度直接影響電機(jī)的運(yùn)行性能；另外，霍爾傳感器存在一定的磁不敏感區(qū)；其次，過(guò)多的傳輸線使系統(tǒng)易受干擾且可靠性降低；再次，在某些惡劣的工作環(huán)境中，常規(guī)的位置傳感器根本就無(wú)法使用。因此，使用無(wú)感無(wú)刷直流電機(jī)控制，具有其一定的優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于無(wú)位置傳感器的直流無(wú)刷電機(jī)，必須通過(guò)一定的方法檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置信息才能準(zhǔn)確換相。反電動(dòng)勢(shì)法是其中最成熟和應(yīng)用最廣泛的位置檢測(cè)方法。在六步換相控制中，每一個(gè)換相周期，將有一相繞組處于不導(dǎo)通狀態(tài)，因此通過(guò)檢測(cè)第三相反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)可檢測(cè)到轉(zhuǎn)子磁極在該繞組經(jīng)過(guò)的時(shí)刻。如圖1所示。在AB繞組通電時(shí)，應(yīng)檢測(cè)C相反電動(dòng)勢(shì)電壓。

圖1 反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)原理

1 無(wú)感BLDC換相

為方便分析，以120°霍爾式位置傳感器為例，三相無(wú)刷直流電機(jī)反電勢(shì)和傳感器輸出信號(hào)間相位關(guān)系見(jiàn)圖2所示。

圖2 BLDC反電勢(shì)和傳感器信號(hào)

如圖2所示，當(dāng)轉(zhuǎn)子在0度電角度位置時(shí)，A相反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)，此時(shí)，再延30度時(shí)，HALL A傳感器檢測(cè)到邊沿信號(hào)，此時(shí)需要換相，即：30度電角度時(shí)AB繞組通電，開(kāi)始檢測(cè)C相繞組反電動(dòng)勢(shì)；當(dāng)轉(zhuǎn)子位置在60度時(shí)，C相反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)，此時(shí)，再延30度時(shí)，HALL C傳感器檢測(cè)到邊沿信號(hào)，此時(shí)需要換相，即：90度電角度時(shí)AC繞組通電，開(kāi)始檢測(cè)B相繞組反電動(dòng)勢(shì)。以此類推。反電動(dòng)勢(shì)的檢測(cè)總在第三相未通電的繞組上進(jìn)行。在檢測(cè)到過(guò)零點(diǎn)時(shí)，需要再延時(shí)30度電角度進(jìn)行換相。

因此，使用無(wú)感無(wú)刷直流電機(jī)控制，反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)的檢測(cè)是關(guān)鍵。

2 傳統(tǒng)反電動(dòng)勢(shì)法

無(wú)刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型方程如下式所示，

其中，Ua,Ub,Uc為三相端電壓，為星形連接中性點(diǎn)電壓，R和L為三相電樞繞組電阻和電感，是ea,eb,ec為三相反電動(dòng)勢(shì)，ia,ib,ic為三相繞組電流。

假設(shè)某一時(shí)刻，A相正向?qū)ǎ珺相負(fù)向?qū)?，C相懸浮，電流從A相流進(jìn)B相流出，如圖3所示。則Ua=HV-VCE，Ub=VCE，ia=-ib，ic=0，其中，HV,VCE分別母線電壓和功率管導(dǎo)通壓降。將ia=-ib代入式1，并與式2相加，得式4。

圖3 AB通電時(shí)等效電路

將Ua=HV-VCE，代入式4，可得式5。

將ic=0代入式3，得式6。

根據(jù)式6，在PWM導(dǎo)通期間，即AB繞組加電期間，在過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻，C相端電壓與中性能電壓相等。因此，可以虛擬中性點(diǎn)作為參考電壓，在端電壓與參考電壓相同時(shí)，發(fā)生過(guò)零點(diǎn)，如圖4所示?？紤]開(kāi)關(guān)噪聲對(duì)低頻反電動(dòng)勢(shì)的影響，傳統(tǒng)反電動(dòng)勢(shì)法需要對(duì)每相以及中性點(diǎn)進(jìn)行電阻分壓和阻容濾波，對(duì)反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣。此法也稱硬件比較過(guò)零點(diǎn)法，通過(guò)硬件比較器實(shí)現(xiàn)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)。

圖4 AB通電時(shí)等效電路

這種方法有很多不足之處：它需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)虛擬中性點(diǎn)；濾波造成的相位偏移必須找到一個(gè)補(bǔ)償值，而且相位偏移會(huì)隨頻率不同而不同，使得控制難以實(shí)現(xiàn)；電阻分壓降低了被檢測(cè)信號(hào)的靈敏度，低速檢測(cè)困難，使系統(tǒng)可靠性降低；對(duì)不同的電機(jī)及速度范圍，須重新設(shè)計(jì)反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路參數(shù)。

3 全數(shù)字反電勢(shì)法

隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，像CW32的MCU都具有AD觸發(fā)采集功能。因此使用軟件進(jìn)行過(guò)零點(diǎn)比較，可省去許多硬件成本，降低系統(tǒng)的復(fù)雜性。此法也稱軟件比較過(guò)零點(diǎn)法。針對(duì)PWM占空比和調(diào)速范圍的不同，可以不同時(shí)刻采集反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)。根據(jù)AD采樣時(shí)刻的不同，把反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)的方法分三種：在功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)刻采樣、在功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)刻采樣和所有狀態(tài)時(shí)刻采樣。

以下介紹的反電動(dòng)勢(shì)法都基于上橋PWM斬波、下橋恒通的PWM單斬調(diào)制方式。

在功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)采樣：

根據(jù)式6所示，在過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻，C相端電壓與中性能電壓相等。因些需要將中性能電壓作為參考電壓。

為得到100%的PWM占空比，就必須在功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)對(duì)反電動(dòng)勢(shì)采樣。為得到反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)的參考電壓，一種方法是同傳統(tǒng)反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法一樣，建立一個(gè)虛擬中性點(diǎn)；在硬件結(jié)構(gòu)上，也同樣需要電阻分壓。除了建立虛擬中性點(diǎn)，還有一種更簡(jiǎn)單的方法可以得到反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)的參考電壓。

在AB導(dǎo)通期間，ea=-eb，根據(jù)式5得式7。

從圖2中也可以看出，當(dāng)母線電壓供直流電，其中某兩繞組通電時(shí)，中性點(diǎn)電壓為母線電壓的一半。

可見(jiàn)，要得到反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，可以選擇參考值為HV/2的參考電壓。它可以直接由母線直流分壓得到或由微處理器采集運(yùn)算得到。如圖5所示。

圖5 PWM導(dǎo)通時(shí)刻采樣硬件原理

PWM導(dǎo)通時(shí)刻采樣示意圖如圖6所示。一般在PWM導(dǎo)通之后延遲一定時(shí)間，再進(jìn)行過(guò)零點(diǎn)信號(hào)采樣。采樣可以每PWM周期采集一次，也可以每PWM周期內(nèi)ON時(shí)刻采集多次再進(jìn)行濾波，具體采用方法，可以根據(jù)微處理器處理能力而定。

圖6 PWM導(dǎo)通時(shí)刻采樣示意

在PWM導(dǎo)通時(shí)刻采樣，不必考慮相位偏移。但這種方法也有不足之處：由于電阻分壓，使得反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)的檢測(cè)靈敏度受影響；且由于在功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)刻進(jìn)行，所以必須有最小的功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間，使得低速難以保證。

在功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷狀態(tài)時(shí)采樣：

為分析中性點(diǎn)電壓，現(xiàn)給換相電路中六個(gè)續(xù)流二極管定義為D1-D6，如圖7所示。

圖7 三相BLDC換相電路

由于續(xù)流二極管和線圈電感的作用，在下管恒導(dǎo)通時(shí)，AB相電流流向如圖8所示。

圖8 T1“OFF”時(shí)AB相電流流向

忽略二極管壓降，加在A相電壓為0。所以根據(jù)式7可得，中性點(diǎn)電壓理想為為0，即地。

為提高系統(tǒng)檢測(cè)的準(zhǔn)確性，在微處理器內(nèi)部可將比較的參考電壓設(shè)為一較大于0的固定閥值，如0.2V。通過(guò)C相反電勢(shì)的檢測(cè)直接與該電壓值比較，可得過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻。

這種方法，不需要?jiǎng)?chuàng)建虛擬中性點(diǎn)，不需要電阻分壓和阻容濾波，它完全克服了傳統(tǒng)方法的缺陷。只需3個(gè)電阻分別將電機(jī)的三相連接到微處理器的三個(gè)輸入引腳即可，具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。

如圖9所示。圖中顯示了六步換相方式中單相的反電動(dòng)勢(shì)波形。在PWM OFF時(shí)，進(jìn)行檢測(cè)反電動(dòng)，以得到與0值相等時(shí)為過(guò)零時(shí)刻。在T1-T2區(qū)間，該相反電動(dòng)為增大過(guò)程，由負(fù)值增加到正值的過(guò)程中檢測(cè)到過(guò)零點(diǎn)；而在T4-T5區(qū)間，該相反電動(dòng)勢(shì)由正值減到負(fù)值過(guò)程中檢測(cè)到過(guò)零點(diǎn)。通過(guò)PWM OFF采集方法，可很方便地得到反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)。

圖9 PWM OFF時(shí)刻反電動(dòng)勢(shì)采樣

這種方式，集成度高，無(wú)須外加反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路，最大限度降低成本；不需要分壓，信號(hào)無(wú)衰減，可以得到反電動(dòng)勢(shì)的全部信號(hào)；反電動(dòng)勢(shì)在功率開(kāi)關(guān)管判斷時(shí)采樣，因此抑制了高頻開(kāi)關(guān)干擾；靈敏度高，可以在很大的速度范圍驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使電機(jī)在很低的速度運(yùn)行且可以最大轉(zhuǎn)矩起動(dòng)；使用數(shù)字濾波器代替模擬濾波器，避免了濾波延時(shí)；提高了信噪比。

不足之處：當(dāng)速度達(dá)到一定高度時(shí)，由于不同電機(jī)反電勢(shì)參數(shù)不同，得到的反電動(dòng)勢(shì)電壓不同，對(duì)于同一MCU其芯片參考電壓為固定值，當(dāng)反電動(dòng)勢(shì)高于參考電壓時(shí)，需考慮MCU的承受能力；另外，此方法是在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)刻進(jìn)行，所以必須保證最小的功率一關(guān)管判斷時(shí)間，使得PWM占空比無(wú)法達(dá)到100%。

在功率開(kāi)關(guān)管所態(tài)狀態(tài)時(shí)刻采樣：

這是一種集中了前兩種方法優(yōu)點(diǎn)的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法，不僅保持了在功率率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷狀態(tài)結(jié)束時(shí)采樣的高靈敏度，在低速時(shí)可以檢測(cè)至低反電動(dòng)勢(shì)；而在功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通狀態(tài)采樣時(shí)，可以使電機(jī)在最大的速度運(yùn)行以至達(dá)到100%的PWM占空比。這種方法可以滿足不同的應(yīng)用需求，具有更大的靈活性。

圖10 PWM所有狀態(tài)數(shù)字采樣

在硬件上，由于需要在功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通狀態(tài)采樣，所以同樣需要保持電阻分壓的硬件結(jié)構(gòu)。但，與在功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)采樣的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法的不同之處，在于分壓電阻不是直接接地，而是連接到MCU的I/O口，如圖10所示。根據(jù)不同的PWM占空比和速度要求，選用不同的采樣方法。當(dāng)在功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷結(jié)束時(shí)采樣，I/O口配置為懸浮輸入（高阻），即不進(jìn)行電阻分壓；在功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)采樣時(shí)，I/O口配置為推拉輸出（推挽），且輸出為低，即是對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行分壓。根據(jù)采樣方法，由I/O口的配置來(lái)決定是否分壓，容易實(shí)現(xiàn)。(IO控制是否讓母線電壓進(jìn)行分壓)。CW32MCU由于ADC性能足夠，我們更傾向于在Ton時(shí)刻采集。所以在我們分享的DEMO中和一些實(shí)際案列，均未使用這個(gè)I/O控制的方法。

在實(shí)際應(yīng)用中,可以根據(jù)PWM占空比和速度范圍的要求選擇合適的采樣方法。