BLDC电机控制入门

2006MicrochipTechnologyInc.DS93001A_CN第1页GS001引言由于直流无刷（BLDC）电机可降低能耗及维护成本，因此在对效率和可靠性要求较高的应用场合BLDC电机正重新受到关注。在大量应用中，dsPIC30F电机控制芯片是多种类型BLDC电机的理想驱动和控制器件。Microchip已经开发了许多基于dsPIC30F和BLDC电机的解决方案。本文档将帮助用户为BLDC电机应用选择昀佳的解决方案。BLDC电机基本知识直流有刷电机中的永磁体安装在定子上而电机绕组则安装在转子上。在旋转过程中，绕组中的电流通过机械碳刷和转子上的换向器进行换向。BLDC电机的永磁体安装在转子上而电绕组则安装在定子上。BLDC电机的突出优点在于消除了机械换向器和碳刷，这将极大增强机械可靠性。直流电机中的换向器和碳刷会导致火花，因此这些部件的消除意味着BLDC电机可以工作在恶劣的环境中。由于BLDC电机绕组铜耗I2R发生在定子中，因此可方便通过电机机壳进行散热。BLDC电机的效率从而得到极大的提升。然而，与普通直流电机相比BLDC电机控制较为复杂。首先，需在电机绕组中建立一个旋转的电枢磁场。该电枢磁场方向必须根据转子永磁磁场位置进行调整。BLDC电机的效率很大程度上取决于两个磁场的相对位置关系。通常使用霍尔位置传感器来检测转子磁场位置。根据来自霍尔传感器的信号正确对绕组进行激励。不过当转子速度升高时，由于绕组电感的作用，电压激励与其在绕组中产生的电流效应之间存在一定程度的延迟。为克服该延迟，通常将电压激励提前一些。这种现象称为相位超前，主要在高转速时通过软件实现。采用相位超前技术可改善BLDC电机运行的效率。有位置传感器的BLDC电机控制当对BLDC电机进行驱动时，必须知道相对于定子的转子磁场位置。昀常见的方法是通过霍尔效应传感器来产生转子位置反馈信号。此类型控制称为有传感器BLDC电机控制。大多数BLDC电机具有三相绕组。根据转子磁场的位置，每一个时刻只对其中两相绕组进行供电。这样每相将导通120电角度，可实现6种不同的激励组合。这种驱动方法称为“方波”（trapezoidal）或“六拍换相”控制。六拍换相图1对六拍换相方式进行了描述并给出霍尔传感器输出信号的对照图。六拍换相提供了一种简单但高效的BLDC电机驱动方法。HallA（HA）、HallB（HB）和HallC（HC）用于检测相对于R、Y和B绕组的转子位置。根据来自霍尔传感器的读数（1至6），将分别驱动相应的两相绕组而第三相则不通电。每一个360电角度周期将被分为6个60度电角度区间，在每一个60度电角度区间中，一相绕组将被驱动为高电平，第二相则被驱动为低电平而第三相则将不通电。例如：在霍尔位置6或区间1，R绕组将被驱动至高电平而B绕组将被驱动为低电平，Y绕组将不导通。通过读入霍尔传感器状态，使用软件方式可方便实现六拍换相算法。图1：典型六拍换相作者：StanD’SouzaMicrochipTechnologyInc.HARHBYHCB550123450146231546区间60°霍尔位置使用dsPIC30F器件实现BLDC电机控制入门GS001DS93001A_CN第2页2006MicrochipTechnologyInc.使用正弦电压驱动有传感器BLDC电机当作为发电机运行时，BLDC电机将在三相绕组中产生正弦电压输出（互差120度电角度）。因此自然的驱动方式是采用三个互差120度电角度的正弦电压对BLDC电机进行驱动。在大多数BLDC应用中，六拍换相方式通常可实现高效运行。然而，在某些应用中六拍换相方式中的PWM电压调制有时会导致转矩脉动，而转矩脉动是导致一些系统中出现低频振动的原因。除六拍换相方式外，也可使用空间矢量调制（SpaceVectorModulation，SVM）技术产生正弦PWM波电压以驱动三相绕组（互差120度电角度）。与六拍换相方式相比，该方法不但可实现高效率运行还可实现无脉动的转矩输出。Microchip正在开发基于此技术的应用笔记。无位置传感器BLDC电机控制位置传感器增加了BLDC电机应用的成本。同时，在制造过程中需对位置传感器进行调整。然而，在相当多的应用中并不需要获取精确的转子位置。运行于恒速或调速范围有限的风机和压缩机电机即是这类应用的典型例子。在这些应用场合中，在未通电绕组上检测到的反电动势EMF可用作切换电机绕组PWM换相的控制信号。图2显示了典型无传感器控制的换相原理图。在此方法中，每一个区间内对未通电相绕组上的反电动势EMF电压进行检测。当此电压经过“中点”或“过零点”时，即检测到过零发生。控制算法即可知道此时位于60度电角度区间的中点且距离下一次换相还有30度电角度。每一个区间所需的时间（60度电角度）称为T60。当检测到过零点时，定时器将装载一个数值为T60的一半的设定值。当定时器发生超时时，将产生中断并实现下一次绕组换相。此控制方法称为BLDC电机的无传感器控制。例如，在区间1中，将监视Y绕组的过零点。当过零发生时，定时器将装入T60时间的一半作为设定值。当该定时器超时时，绕组将按照前面介绍的方式进行换相。即Y绕组被驱动为高电平，B绕组保持低电平而R绕组将不通电。Microchip已经发布两个关于无位置传感器BLDC控制的应用笔记：AN901，《dsPIC30F在无传感器BLDC控制中的应用》，以及AN992，《用dsPIC30F2010控制无传感器BLDC电机》。图2：典型无传感器控制的换相550011234区间000RYBT60T302006MicrochipTechnologyInc.DS93001A_CN第3页GS001dsPIC30F应用笔记以下是一些有关使用dsPIC30F实现BLDC电机控制的应用笔记，这些应用笔记将有助于用户快速开始开发BLDC电机控制项目。AN957，《使用dsPIC30F2010控制带传感器的BLDC电机》本应用笔记介绍了如何使用28引脚dsPIC30F2010实现带位置传感器BLDC电机的简单开环和闭环控制解决方案。在该方案中，使用上面介绍的六拍换相模式对具有位置传感器的BLDC电机进行控制。本应用中使用的硬件平台为PICDEM™MCLV开发板。只需微小改动，本应用笔记所述方案也可适用于Microchip的任何其他硬件平台（参见后续有关电机控制开发板的章节）。其中固件经过微小改动也可适用于任何dsPIC30F电机控制器件。由于具有片内电机控制PWM、霍尔传感器和QEI输入模块，以及可计算多重PID控制环的DSP引擎，因此dsPIC30F2010是本应用的理想控制器件。AN901，《dsPIC30F在无传感器BLDC控制中的应用》本应用笔记介绍了如何使用前述的反电动势EMF检测技术实现无位置传感器BLDC电机控制。反电动势EMF电压经过分压衰减后送至dsPIC®数字信号控制器（DigitalSignalController，DSC）的ADC输入端。随后使用高速ADC对过零事件进行检测。此技术提供了一种十分高效的控制方法来实现无位置传感器BLDC电机起动和运行，所需元器件数昀少。应用中使用的硬件是dsPICDEM™MC1电机控制开发板配合dsPICDEMMC1L三相低压功率模块或dsPICDEMMC1H三相高压功率模块。本应用中MC1开发板中使用dsPIC30F6010器件。此应用笔记中详细介绍了如何起动和运行无位置传感器的BLDC电机。然而，此控制方法适用于市场上所有的BLDC电机。应用笔记中提供了详细说明以帮助用户对起动和运行BLDC电机所需的45个参数进行配置。用户可通过MC1开发板上提供的LCD和按钮对全部45个用户参数进行设定。固件支持四种不同的控制模式和两种起动模式。硬件驱动部分通过37引脚D型连接器连接至高电压或低电压功率模块，可适用于电压范围从10至400VDC的BLDC电机。也可对固件进行修改以适用于其他任何dsPIC30F电机控制器件。由于包括片内电机控制PWM、霍尔传感器与QEI输入模块以及采样反电动势EMF和检测过零事件所需的快速ADC，因此dsPIC30F6010是本应用的理想器件。可使用该款器件强大的DSP引擎计算多重PID控制环。AN992，《用dsPIC30F2010控制无传感器BLDC电机》此应用笔记中的解决方案在AN901的基础上更进一步，且提供了一种低成本和高效的实现方案。该解决方案基于目前昀小的dsPIC30F电机控制器件，即28引脚dsPIC30F2010，该芯片具有12K字节程序存储器和512字节RAM。应用中的硬件得到简化且使用单独的PICDEM™MCLV开发板作为硬件开发平台。由于PICDEMMCLV开发板不具有LCD且dsPIC30F2010的I/O数目有限，因此只能使用PC通过串口和超级终端链接进行45个用户参数的设定。PICDEMMCLV只能支持从10至40VDC的电压范围，因此只有低压BLDC电机才能在此控制板上运行。然而，本应用中使用的技术可作进一步推广。如果要提供更高电压和电流的驱动器以支持高电压和高电流应用，则硬件稍加修改即可运行电压范围从40V至400VDC的BLDC电机。由于片内包含电机控制PWM、霍尔传感器与QEI输入模块以及采样反电动势EMF和检测过零事件所需的快速ADC，因此dsPIC30F2010是本应用的理想器件。可使用该款器件强大的DSP引擎计算多重PID控制环。GS001DS93001A_CN第4页2006MicrochipTechnologyInc.用于控制BLDC电机的dsPIC30F硬件模块Micorchip提供数目众多的硬件工具来帮助用户实现自己的BLDC电机控制方案。图3：PICDEM™MCLV开发板PICDEMMCLV开发板此板提供配置齐全的低电压开发平台（图3），支持所有28引脚的dsPIC30F电机控制器件，包括dsPIC30F2010、dsPIC30F3010和dsPIC30F4012。该板的硬件配置支持有位置传感器以及无位置传感器的BLDC电机控制应用。厂商发货的板支持额定电压为24V的电机；然而，板上硬件在10V至40V的电压范围内可容许电机电流达4A。板上配置串口可实现与外部信号源的通信。板上提供了MPLAB®ICD2在线调试器连接可用于编程和调试。同时提供了一个电位器以及两个开关分别用于速度调节和起/停控制。板上配置的功率驱动器可直接驱动BLDC电机。低端的大功率电阻用于将电流和故障检测信号反馈至dsPICDSC。“PICDEM™MCLVDevelopmentBoardUser’sGuide”（DS51554）详细说明了该板的使用方法。dsPICDEMMC1电机控制开发板dsPICDEMMC1电机控制开发板（图4）是一款基于dsPIC30F6010的通用开发板，可实现包括有位置传感器和无位置传感器BLDC电机在内的宽范围电机控制应用。开发板配置有RS-232串口和CAN端口以及用于编程和调试目的的ICD2在线调试器连接。板上配置有两行20字符LCD和4个LED用于显示目的。板上还提供4个按钮和2个电位器用于数据输入和反馈。多余的模拟和数字引脚则通过两个接头排引出。由于板上未配置驱动电路，因此MC1开发板必须连接到外部驱动系统。应使用37引脚的D型连接器连接MC1开发板和dsPICDEMMC1H三相高压模块（图5）或dsPICDEMMC1L三相低压模块（图6）。D型连接器经过光电隔离连接至外部电路，因此可实现安全、电气隔离的高压驱动（400VDC）。可使用dsPICDEMMC1电机控制开发板配合dsPICDEMMC1H三相高压功率模块驱动高压BLDC电机。有关开发板性能和功能的详细说明，可参见“dsPICDEM™MC1MotorControlDevelopmentBoardUser’sGuide”（DS70098）。图4：dsPICDEM™MC1电机控制开发板[InsertphotoofdsPICDEMMC1Board]2006MicrochipTech