将无传感器BLDC电机控制引入低成本应用

电机在我们日常生活中的几乎每个部分发挥着作用。它们驱动洗碗机和洗衣机，使室内变得凉爽，并且对于现代交通工具更是必不可少。无刷直流（BLDC）电机已成为许多匀速或变速的高可靠性中高档系统的选择。借助几个霍尔效应传感器和一个控制器，BLDC电机变得相对容易控制。如今，BLDC电机系统已十分常见，但是，大多数系统仍使用传感器来控制电机。为了降低BLDC系统的成本并提高可靠性，许多设计人员希望除去传感器。无传感器系统已出现相当长一段时间，但在过去，它们需要昂贵的控制器才能运行除去传感器所需的算法。数字信号控制器（DSC）（例如Microchip的dsPIC33FJ15MC102，批量订购时，单价仅约1美元）使无传感器BLDC电机控制得以大规模应用。

无传感器BLDC控制依靠BLDC电机的特性来计算转子位置，并在此位置使电机在适当的时间换向。为了解释其工作原理，我们回头看一下BLDC电机本身以及基本的传感器控制。从根本上讲，BLDC电机使用励磁线圈（称为定子）在转子（或轴）上产生平行于线圈轴线的磁场，使转子旋转并产生转矩。在三相BLDC电机中，定子中的三个线圈（或相）连续导通和关断使转子旋转并产生转矩。为使转子保持旋转，必须在转子旋转到相应位置前导通和关断相关相。为了使转子平稳旋转，构成电机的每个绕组或相都可由多组线圈组成。每相都必须按特定顺序导通和关断才能使转子旋转。转子的位置决定了哪相需要导通或关断。因此，了解转子位置对于电机的运行至关重要，为了使BLDC电机工作，控制器必须主动导通或关断这些相。控制器必须将定子内的磁场保持在转子之前，以保持转子旋转。获取转子位置的最简单方法是使用霍尔效应传感器，它们可生成脉冲将转子位置通知给控制器。了解转子位置后，基本BLDC控制器只需查找三个相的哪种模式对应于转子位置，并将这些相切换到相应模式。

依靠传感器的运行实现起来非常容易，但除去传感器可降低系统成本并提高可靠性。为了理解无传感器算法如何计算转子位置，我们进一步了解一下BLDC电机的三个相。

在“梯形”控制中，在任何时刻都是一相被拉为高电平（+VBUS），一相被拉为低电平（-VBUS），第三相不活动。由于每相的波形都像梯形（见图1），“梯形”控制因此而得名。当转子经过某相时，转子上的永磁在该相感应出电流，进而产生称为反电动势（EMF）的电压。反电动势取决于每相绕组的匝数、转子的角速度以及转子永磁场的强度。每相的反电动势波形与转子位置相关，因此反电动势可用于确定转子位置。

图1 BLCD电机绕组和梯形波形

有许多不同方法使用反电动势确定转子位置，其中最常见和最可靠的一种是过零检测。当其中一个反电动势信号转换并过零点时，控制器需要切换相的模式。此过程称为换向（见图2）。为使转子保持向前转动，在发生过零和换向之间的时间内必须进行相移，电机控制器必须计算和补偿该相移。一种实现过零的简单方法是，假设每当任一相的反电动势达到VBUS/2时就会发生过零事件。

图2 反电动势过零