為獲得轉(zhuǎn)子當(dāng)前位置，需要采用某種轉(zhuǎn)子位置檢測環(huán)節(jié)。在有位置傳感器的系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子位置的檢測是通過一系列霍爾效應(yīng)傳感器來實現(xiàn)的，霍爾效應(yīng)傳感器能夠感知轉(zhuǎn)子永磁磁極的位置?；魻枔Q相控制已在CW32電機控制基礎(chǔ)——無刷直流電機換相控制原理有講解。但位置傳感器的存在，增加了無刷直流電機的重量和結(jié)構(gòu)尺寸，且不易安裝和維護；同時，傳感器的安裝精度和靈敏度直接影響電機的運行性能；另外，霍爾傳感器存在一定的磁不敏感區(qū)；其次，過多的傳輸線使系統(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法使用。因此，使用無感無刷直流電機控制，具有其一定的優(yōu)勢。

對于無位置傳感器的直流無刷電機，必須通過一定的方法檢測轉(zhuǎn)子位置信息才能準(zhǔn)確換相。反電動勢法是其中最成熟和應(yīng)用最廣泛的位置檢測方法。在六步換相控制中，每一個換相周期，將有一相繞組處于不導(dǎo)通狀態(tài)，因此通過檢測第三相反電動勢信號可檢測到轉(zhuǎn)子磁極在該繞組經(jīng)過的時刻。如圖1所示。在AB繞組通電時，應(yīng)檢測C相反電動勢電壓。

圖1 反電動勢檢測原理

1 無感BLDC換相

為方便分析，以120°霍爾式位置傳感器為例，三相無刷直流電機反電勢和傳感器輸出信號間相位關(guān)系見圖2所示。

圖2 BLDC反電勢和傳感器信號

如圖2所示，當(dāng)轉(zhuǎn)子在0度電角度位置時，A相反電動勢過零點，此時，再延30度時，HALL A傳感器檢測到邊沿信號，此時需要換相，即：30度電角度時AB繞組通電，開始檢測C相繞組反電動勢；當(dāng)轉(zhuǎn)子位置在60度時，C相反電動勢過零點，此時，再延30度時，HALL C傳感器檢測到邊沿信號，此時需要換相，即：90度電角度時AC繞組通電，開始檢測B相繞組反電動勢。以此類推。反電動勢的檢測總在第三相未通電的繞組上進行。在檢測到過零點時，需要再延時30度電角度進行換相。

因此，使用無感無刷直流電機控制，反電動勢過零點的檢測是關(guān)鍵。

2 傳統(tǒng)反電動勢法

無刷直流電機的數(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為三相反電動勢，ia,ib,ic為三相繞組電流。

假設(shè)某一時刻，A相正向?qū)?，B相負(fù)向?qū)ǎ珻相懸浮，電流從A相流進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，在過零點時刻，C相端電壓與中性能電壓相等。因此，可以虛擬中性點作為參考電壓，在端電壓與參考電壓相同時，發(fā)生過零點，如圖4所示?？紤]開關(guān)噪聲對低頻反電動勢的影響，傳統(tǒng)反電動勢法需要對每相以及中性點進行電阻分壓和阻容濾波，對反電動勢進行實時采樣。此法也稱硬件比較過零點法，通過硬件比較器實現(xiàn)過零點檢測。

圖4 AB通電時等效電路

這種方法有很多不足之處：它需要創(chuàng)建一個虛擬中性點；濾波造成的相位偏移必須找到一個補償值，而且相位偏移會隨頻率不同而不同，使得控制難以實現(xiàn)；電阻分壓降低了被檢測信號的靈敏度，低速檢測困難，使系統(tǒng)可靠性降低；對不同的電機及速度范圍，須重新設(shè)計反電動勢檢測電路參數(shù)。

3 全數(shù)字反電勢法

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。因此使用軟件進行過零點比較，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零點法。針對PWM占空比和調(diào)速范圍的不同，可以不同時刻采集反電動勢信號。根據(jù)AD采樣時刻的不同，把反電動勢檢測的方法分三種：在功率開關(guān)管導(dǎo)通時刻采樣、在功率開關(guān)管關(guān)斷時刻采樣和所有狀態(tài)時刻采樣。

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

在功率開關(guān)管導(dǎo)通狀態(tài)時采樣：

根據(jù)式6所示，在過零點時刻，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，就必須在功率開關(guān)管導(dǎo)通狀態(tài)時對反電動勢采樣。為得到反電動勢過零檢測的參考電壓，一種方法是同傳統(tǒng)反電動勢過零檢測法一樣，建立一個虛擬中性點；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，還有一種更簡單的方法可以得到反電動勢過零檢測的參考電壓。

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，中性點電壓為母線電壓的一半。

可見，要得到反電動勢信號，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算得到。如圖5所示。

圖5 PWM導(dǎo)通時刻采樣硬件原理

PWM導(dǎo)通時刻采樣示意圖如圖6所示。一般在PWM導(dǎo)通之后延遲一定時間，再進行過零點信號采樣。采樣可以每PWM周期采集一次，也可以每PWM周期內(nèi)ON時刻采集多次再進行濾波，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)通時刻采樣示意

在PWM導(dǎo)通時刻采樣，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，使得反電動勢過零點的檢測靈敏度受影響；且由于在功率開關(guān)管導(dǎo)通時刻進行，所以必須有最小的功率開關(guān)管導(dǎo)通時間，使得低速難以保證。

在功率開關(guān)管關(guān)斷狀態(tài)時采樣：

為分析中性點電壓，現(xiàn)給換相電路中六個續(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，AB相電流流向如圖8所示。

圖8 T1“OFF”時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，中性點電壓理想為為0，即地。

為提高系統(tǒng)檢測的準(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C相反電勢的檢測直接與該電壓值比較，可得過零點時刻。

這種方法，不需要創(chuàng)建虛擬中性點，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個電阻分別將電機的三相連接到微處理器的三個輸入引腳即可，具有無可比擬的優(yōu)勢。

如圖9所示。圖中顯示了六步換相方式中單相的反電動勢波形。在PWM OFF時，進行檢測反電動，以得到與0值相等時為過零時刻。在T1-T2區(qū)間，該相反電動為增大過程，由負(fù)值增加到正值的過程中檢測到過零點；而在T4-T5區(qū)間，該相反電動勢由正值減到負(fù)值過程中檢測到過零點。通過PWM OFF采集方法，可很方便地得到反電動勢過零點。

圖9 PWM OFF時刻反電動勢采樣

這種方式，集成度高，無須外加反電動勢檢測電路，最大限度降低成本；不需要分壓，信號無衰減，可以得到反電動勢的全部信號；反電動勢在功率開關(guān)管判斷時采樣，因此抑制了高頻開關(guān)干擾；靈敏度高，可以在很大的速度范圍驅(qū)動電機，使電機在很低的速度運行且可以最大轉(zhuǎn)矩起動；使用數(shù)字濾波器代替模擬濾波器，避免了濾波延時；提高了信噪比。

不足之處：當(dāng)速度達到一定高度時，由于不同電機反電勢參數(shù)不同，得到的反電動勢電壓不同，對于同一MCU其芯片參考電壓為固定值，當(dāng)反電動勢高于參考電壓時，需考慮MCU的承受能力；另外，此方法是在開關(guān)管關(guān)斷時刻進行，所以必須保證最小的功率一關(guān)管判斷時間，使得PWM占空比無法達到100%。

在功率開關(guān)管所態(tài)狀態(tài)時刻采樣：

這是一種集中了前兩種方法優(yōu)點的反電動勢過零檢測法，不僅保持了在功率率開關(guān)管關(guān)斷狀態(tài)結(jié)束時采樣的高靈敏度，在低速時可以檢測至低反電動勢；而在功率開關(guān)管導(dǎo)通狀態(tài)采樣時，可以使電機在最大的速度運行以至達到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，與在功率開關(guān)管導(dǎo)通時采樣的反電動勢過零檢測法的不同之處，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)在功率開關(guān)管關(guān)斷結(jié)束時采樣，I/O口配置為懸浮輸入（高阻），即不進行電阻分壓；在功率開關(guān)管導(dǎo)通時采樣時，I/O口配置為推拉輸出（推挽），且輸出為低，即是對采樣信號進行分壓。根據(jù)采樣方法，由I/O口的配置來決定是否分壓，容易實現(xiàn)。(IO控制是否讓母線電壓進行分壓)。CW32MCU由于ADC性能足夠，我們更傾向于在Ton時刻采集。所以在我們分享的DEMO中和一些實際案列，均未使用這個I/O控制的方法。

在實際應(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。