AN1160b-用择多函数实现反电动势滤波的无传感器BLDC控制

2008-2012MicrochipTechnologyInc.DS01160B_CN第1页AN1160引言本应用笔记介绍一种采用dsPIC®数字信号控制器（DigitalSignalController，DSC）或PIC24单片机来实现无刷直流（BrushlessDirectCurrent，BLDC）电机无传感器控制的算法。该算法利用对反电动势（Back-ElectromotiveForce，BEMF）进行数字滤波的择多函数来实现。通过对电机的每一相进行滤波来确定电机驱动电压换相的时刻。这一控制技术省却了分立的低通滤波硬件和片外比较器。需指出，这里论述的所有内容及应用软件，都是假定使用三相电机。该电机控制算法包括四个主要部分：•利用DSC或单片机的模数转换器（Analog-to-DigitalConverter，ADC）来采样梯形波BEMF信号•PWM导通侧ADC采样，以降低噪声并解决低电感问题•将梯形波BEMF信号与VBUS/2进行比较，以检测过零点•用择多函数滤波器对比较结果信号进行滤波•以三种不同模式对电机驱动电压进行换相：-传统开环控制器-传统闭环控制器-比例-积分（Proportional-Integral，PI）闭环控制器这种新的控制方法是一种基于单片16位PIC®MCU或dsPICDSC器件的解决方案。所需的外部硬件仅为几个电阻，用来将BEMF信号限制在器件ADC模块的工作电压范围内。有传感器控制与无传感器控制的对比由于BLDC电机具有尺寸小、可控制性好、效率高的特点，常用于消费和工业应用中。BLDC电机还愈来愈多地出现在汽车应用中用来取代传送带和液压系统，提供额外功能和提高燃油经济性，同时消除维护成本。由于电励磁必须与转子位置同步，因此BLDC电机在运行时，通常需要一个或多个转子位置传感器。由于成本、可靠性、机械包装的原因，特别是当转子在液体中运行时，电机适宜在无位置传感器的条件下运行，即通常所说的无传感器运行。通过检测不通电相绕组上的BEMF电压可以确定电机驱动电压的换相时间。然而，无传感器控制也有一些缺点：•由于BEMF足够大时才能被检测到，因此电机必须运行在昀低转速以上•电机负载突变可能引起BEMF驱动环失锁如果低成本是应用中关注的主要问题，且无需电机在低速下运行，以及预料电机负载不会发生快速地变化，那么在这种情况下，无传感器梯形波控制就可能是应用中的较好选择。但某些特定算法能够克服上面所列出的全部缺点。基于以下几个原因，推荐您采用本文档所述的BEMF过零检测技术：•适用于多种电机类型•理论上，这种技术可用于星形和三角形连接三相电机•无需详细了解电机参数•对于电机的制造公差差异不太敏感作者：AdrianLita和MihaiChelesMicrochipTechnologyInc.用择多函数实现反电动势滤波的无传感器BLDC控制AN1160DS01160B_CN第2页2008-2012MicrochipTechnologyInc.六步（梯形）换相在该应用笔记所介绍的无传感器算法中，可以按六步梯形换相或120°换相的方式对电机绕组进行通电。图1显示了六步换相的工作原理。每一步，即一个扇区，等于60电角度。六个扇区就构成360电角度，即一个电周期。图1：六步换相绕组图中的箭头表示六步的每步中电机绕组内电流的流向。下面的曲线图显示了六步的每一步中电机每一绕组端上的反电势波形。六步依次换相推动电机运转一个电周期。六步换相•第1步-红色绕组正向通电。-绿色绕组负向通电。-蓝色绕组断电。•第2步-红色绕组仍正向通电。-蓝色绕组负向通电。-绿色绕组断电。•第3步-绿色绕组正向通电。-蓝色绕组负向通电。-红色绕组断电。•第4步-绿色绕组正向通电。-红色绕组负向通电。-蓝色绕组断电。•第5步-蓝色绕组正向通电。-红色绕组负向通电。-绿色绕组断电。•第6步-蓝色绕组正向通电。-绿色绕组负向通电。-红色绕组断电。对于每一个扇区，都有两相绕组通电，一相绕组断电。实际上，在每个扇区内都有一相绕组断电是适宜使用无传感器控制算法的六步控制的一个重要特性。ACB15462360°123456蓝色绕组绿色绕组红色绕组扇区+VDCGND+VDCGNDGND+VDC2008-2012MicrochipTechnologyInc.DS01160B_CN第3页AN1160BEMF的产生和检测当BLDC电机旋转时，根据楞次定律，每相绕组都会产生与加到该相绕组上的主电压方向相反的BEMF。该BEMF的极性与通电电压的极性相反。BEMF主要取决于以下三个电机参数：•定子绕组匝数•转子角速度•转子磁铁产生的磁场可以采用公式1根据电机参数和角速度来计算BEMF。公式1：反电动势（BEMF）如果避免了定子的磁饱和，或者忽略磁场与温度的相关性（即B为常数），则惟一变化的项是电机的角速度。因此，BEMF与转子速度成正比，速度增加则BEMF也增大。扇区的切换频率取决于电机的转速；扇区切换速度越快，可以达到的机械转速越高。BEMF电压与转子速度成正比。因此，在极低转速下通过在BEMF为零时检测位置是不可行的。然而，有许多应用（如风扇和泵）不需要在低速时进行位置控制或闭环操作。对于这些应用，非常适合采用BEMF检测方法。施加到定子上的换相电压对电机的正常工作也有直接的影响。为了进行高效率控制，所施加电压必须至少足以产生BEMF，另外还要加上电机绕组上用于产生转矩的压降。此压降等于绕组阻抗与电流的乘积。一般来说，如果换相电压设置为昀大值，无论电机转速或产生的转矩如何，电机的驱动效率将很低，能量将转换为电机绕组上的热量耗散掉。为实现所需的正确控制，采用脉宽调制（Pulse-WidthModulation，PWM）来获得正确的电压值。PWM是高效率的电机驱动方法，但当试图采集控制反馈信号（即BEMF电压）时会引入一些噪声问题。BLDC电机和无传感器控制的重要关系可概括为：•BEMF信号的幅值和转速成正比•BEMF信号的频率等于机械转速与极对数的乘积•电机转速与电流成正比（假设电机的温度恒定）•电机驱动电压等于BEMF（与转速成正比）加上绕组阻抗压降（与给定转矩对应的电流成正比）过零检测按照BLDC电机控制理论，为产生昀大转矩，定子的磁通应该比转子磁通超前90电角度。因此，为获得昀大转矩，相电流需要与相BEMF电压同相。对于我们所讨论的三相BLDC电机，三相之间的相移为120°，所以在定子中产生旋转转子磁通的简便方法是我们前面所述的六步换相方案，三相电压每60电角度换相一次。在昀大转矩和满载情况下，忽略电感电抗，相电流应该与驱动电压具有相同的波形，且两个信号需要同相，通过比较图2（高电流，带载）和图3（低电流，空载）可以观察到这一点。图6显示了各相的理想BEMF波形以及相电流，假定带载情况下进行高效率换相。BEMF相电压的中心位于1/2驱动电压处。这意味着任何过零事件实际上都指示了BEMF波形与1/2电源电压（VBUS/2）点相交。过零点发生在自昀后一次换相结束30电角度的地方，也是距下一次换相点30电角度的地方。从而可以通过两次过零事件之间的间隔时间来计算电机转速。识别到当前过零事件时，就可以实现对将来各步换相的精确调度。一个电周期由六个相等的60º部分组成，每个扇区与其中的一个部分相对应（扇区编号任意）。换相发生在每个扇区的边界。因此，我们需要检测的是扇区的边界。在BEMF过零事件与需要换相的位置之间，有一个30º的偏移。其中：N=每相绕组匝数l=转子长度r=转子内半径B=转子磁场=角速度BEMFNlrB=AN1160DS01160B_CN第4页2008-2012MicrochipTechnologyInc.图2：带载情况下的相电压和相电流图3：过零点发生的确切位置2008-2012MicrochipTechnologyInc.DS01160B_CN第5页AN1160BEMF过零信号检测可以使用不同的方法来检测BEMF电压过零信号。这一节将介绍其中的两种。所有这些方法都有各自的优缺点，这将在下一节中讲到。所有这些方法都假定电机的中性点没有用导线引出或者电机定子绕组是三角形连接方式。BEMF电压与直流母线电压的一半进行比较该方法是在假定BEMF电压等于VDC/2时发生过零事件的情况下，利用比较器将BEMF电压与直流母线电压的一半（VBUS/2）进行比较。图4显示了实现该方法所用的电路。图4：BEMF电压与VBUS/2进行比较假设电机处于第一个换相步（见图1），即A相通过一个电子开关与+VBUS相连，C相通过一个电子开关与GND相连，而B相开路。就在第二个换相步将要到来时，从B相上观察到的BEMF信号的斜率为负，其昀小值接近+VDC。当第二个换相步发生时，B相电压达到GND值。此时，B相通过一个电子开关与GND相连，C相开路，而A相仍与VDC相连。就在第三个换相步将要到来时，从C相上观察到的BEMF信号的斜率为正，其昀大值接近VDC。为了确定过零事件的发生，将B相和C相上观察到的斜率与VDC/2进行比较。这种电路易于实现，将三个运放配置为比较器即可。BEMF电压与电机中性点电压比较前面介绍的过零检测法可以通过使用可变阈值电压点检测过零事件来加以简化。该可变电压就是电机的中性点。大多数BLDC电机的中性点不会用导线引出。但可以用电阻网络来构造中性点。将三个电阻（RR）的一端分别与电机的三相绕组并联，另一端连在一起以产生一个虚拟中性点，如图5所示。图5：BEMF电压与虚拟中性点电压进行比较中性点信号也可通过软件重构，其值等于三个同时采样的ADC通道的平均值（公式2）。然后将重构的电机虚拟电压与每个BEMF信号比较来确定是否发生过零事件。BEMF信号与电机中性点电压相等时即发生过零事件。公式2：虚拟中性点电压与BEMF信号的关系ACBVBUSGNDBEMFGND至ADCACBGND虚拟中性点+_BEMF至IC2VBUSRRRRRRVnBEMFABEMFBBEMFC++3----------------------------------------------------------------------------=其中：Vn表示电机中性点电压BEMFA表示A相BEMF电压BEMFB表示B相BEMF电压BEMFC表示C相BEMF电压AN1160DS01160B_CN第6页2008-2012MicrochipTechnologyInc.图6显示了在所有三相上测量的BEMF信号。图7显示了一个完整的BLDC控制系统所需的电路。图6：所有三相的BEMF信号图7：利用dsPIC®DSC的ADC来检测BEMF电压三相逆变器PWM3HPWM3LPWM2HPWM2LPWM1HPWM1LFLTA故障BLDCdsPIC30F2010AN3AN4AN5AN2期望值各相端电压反馈R49R41R34R36R44R522008-2012MicrochipTechnologyInc.DS01160B_CN第7页AN1160图8显示了在一个扇区（60°）中的采样过程。下面的窗口提供了发生ADC采样时的时序的增强视图。ADC_Read信号表示ADC采样BEMF电压信号的时刻。请注意，在所有的BEMF衰减斜坡期间，仅采样周期的前半部分。这是因为一旦检测到过零事件，将不再进行采样。这允许上层应用程序有更多的时间执行其他重要任务。图9和图10比较了ADC采样和PWM占空比之间的差别。采样和转换的速度配置为ADC和控制器允许的昀快速度。同时，仅在PWM信号的高电平期间采集BEMF电压，因此采样速率和PWM频率成正比。如图9和图10所示，采样的次数取决于占空比。占空比的值（对应于PWM高电平导通状态）与电机绕组上施加的电压成正比；同时高电机转速需要高电压。由于在PWM高电平导通状态采样BEMF信号，可得知高占空比（高转速）意味着发生更多次ADC采样。采样次数更多，则对过零事件的检测更快、更精确，从而扇区切换也更快。使用VBUS/2方法的好处是，仅需要采样一个ADC通道，而中性点重构方