用择多函数实现反电动势滤波的无传感器BLDC-控制

2008MicrochipTechnologyInc.DS01160A_CN第1页AN1160引言本应用笔记介绍一种用dsPIC®数字信号控制器（DSC）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，都是假定须使用三相电机。该电机控制算法包括六个主要部分：•利用dsPIC模数转换器（Analog-to-DigitalConverter，ADC）来采样梯形波BEMF信号•重构电机虚拟中性点•将梯形波BEMF信号与重构的电机虚拟中性点进行比较，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•对电机驱动电压进行换相•控制环本应用笔记的目的是对实现这种新的无传感器BLDC电机控制技术的各个部分进行简要介绍。此外，这种新的控制方法是一种基于单片dsPICDSC器件的解决方案，除了需要几个电阻，用来将BEMF信号限制在dsPICDSC器件ADC的工作电压范围内之外，不需要其它外部硬件。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，以及提供额外功能和提高燃油经济性。磁钢以及那些用于控制BLDC电机的电子器件成本的持续下降使得BLDC能够在更多的应用场合以及更高的功率级上应用。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反电动势电压可以确定电机驱动电压的换相时间。由于省却了霍尔位置传感器，因此无传感器控制具有明显的成本优势。然而，无传感器控制也有一些缺点：•由于反电动势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•仅当电机转速在所施电压理想换相率的有限范围内，BEMF电压才能被测量到•实际换相速率高于理想速率将导致电机响应不连续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。这种无传感器BEMF方法正迅速地成为昀普遍的解决方法。作者：DanielTorresMicrochipTechnologyInc.用择多函数实现反电动势滤波的无传感器BLDC控制AN1160DS01160A_CN第2页2008MicrochipTechnologyInc.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度电角度。六个扇区就构成360度电角度，即一个电周期。图1：六步换相绕组图中的箭头表示每步中电机绕组内电流的流向。下面的曲线图显示了六步过程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。该应用笔记使用下面这些术语来描述电机转速：•每分钟电转速（RPMElec）•每秒钟电转速（RPSElec）用上面两个术语讨论电机转速比用机械RPM方便，因为当说到电气RPM时，并不需要考虑电机极对数的问题。机械RPM与电气RPM之间的关系如下面三个公式所示：公式1：机械/电气RPM之间的关系公式2：电气/机械RPM之间的关系RGB15462360°123456蓝色绕组绿色绕组红色绕组扇区+VBUS-VBUS+VBUS-VBUS-VBUS+VBUSRPMMech2RPMElec⋅Numberof--------------------------------=电机极数RPMElecRPMMechlllllllllll⋅2------------------------------------------------------=电机极数2008MicrochipTechnologyInc.DS01160A_CN第3页AN1160公式3：电气RPS/RPM之间的关系BEMF检测法当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BEMF（从电机参数和角速度方面）可以用公式4中的表达式来计算。公式4：反电动势（BEMF）如公式4所示，转子角速度是唯一的变量。因此，BEMF与转子速度成正比；BEMF随转速的增加而增加。电机的BEMF作为转子位置和速度的函数，其波形随二者的变化而变化。因此，在零速和非常低转速时，用BEMF来检测转子位置是不可能的。不过，有许多应用场合（如风扇和泵）并不需要在低速下进行定位控制或闭环运行。对于这些应用，使用BEMF法比较适宜。BEMF法有很多种，其中，大多数可以概括如下：•电机端电压检测-可直接测量或推理得到（利用开关状态和直流母线电压的信息）•中性点电压检测-仅适用于星形连接和三角形连接的电机，对于某些种类的绕组连接方式，可能并不适用-实际上不需要第四根导线。可以利用电机三相来重构星点•母线梯度电流检测-取决于母线电流的特有形状，其由转子超前或滞后时，换相变化所引起-不能使用快速母线电流控制所选用的BEMF检测法本应用笔记以中性点电压重构以及断电相的BEMF过零点检测为基础。因此，需要提及的重要一点是，为了捕获过零点事件，本文中采用的BEMF检测法仅能利用梯形波BEMF信号来实现。这种检测法的一个重要特点是只需要几个外部元件即可确定过零点。除BEMF信号调理和功率开关栅极驱动器之外，实现仅使用了能够提供所有控制功能的单片dsPICDSC器件。选择BEMF过零技术是基于以下原因：•它适用于多种类型的电机。•理论上，对于星型连接和三角形连接的三相电机都适用。对于某些种类的连接方式，可能并不适用。•不需要了解太多有关电机特性的知识。•对电机制造容差的变化不太敏感。•既可用于电压控制，也可用于电流控制。•这种过零检测技术适用于多种零速附近无需进行闭环控制的应用场合。假设转速大于零，那么每个电周期只有两个BEMF为零的位置，而这两个位置可以通过BEMF过零时的曲线斜率来识别，如图2所示。图2：过零点检测RPSElecRPMElec60-------------------------=BEMFNlrBω=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ω=角速度501234501000=BEMF过零30°扇区AN1160DS01160A_CN第4页2008MicrochipTechnologyInc.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（扇区个数完全可以任意取）。换相发生在每个扇区的边界处。因此，需要检测扇区边界。在BEMF过零点和需要换相的位置之间，有一个30º偏移，必须对其进行补偿，以确保电机能够进行高效、平滑地运行。图2还显示了各相BEMF的理想波形。假设只有三条电机引出线可用于检测BEMF，那么必须确定电机的星点电压，因为BEMF波形的偏移是由星点电压引起的。BEMF过零信号检测法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。所有这些方法都是基于大多数时候电机的中性点无法获得的情形，因为中性点没有用导线引出或是电机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进行比较。图3显示了实现该方法所用的电路。图3：BEMF电压与直流母线电压的一半进行比较假设电机处于第一个换相步（根据图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-VBUS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，其昀大值接近+VDC。当第二个换相步发生时，B相电压达到+VDC。此时，B相通过一个电子开关与+VDC相连，A相开路，而C相仍与-VDC相连。就在第三个换相步将要到来时，从A相上观察到的BEMF信号的斜率为正，其昀小值接近-VDC。为了确定过零事件的发生，将B相和A相上观察到的斜率与VDC/2进行比较。这种电路易于实现，将三个运放用作比较器即可。这种方法的缺点为：•该方法假定电机绕组参数是相同的。•所检测到的BEMF信号具有正负相移。•大多数时候，电机额定电压小于VDC电压；因此，过零事件并非总是发生在VDC/2处。BEMF电压与电机中性点电压比较前文介绍的过零检测法可以通过设置用于检测过零事件的可变阈值电压点加以改进。实际上，该可变电压就是电机的中性点。通常，电机制造商不会把电机中性点引出。但可以用电阻网络来构造中性点。将三个电阻网络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。图4给出了接线图。图4：BEMF电压与虚拟中性点进行比较ACBDC+DC-DC/2+_反电动势至IC2ACBDC-虚拟中性点+_反电动势至IC22008MicrochipTechnologyInc.DS01160A_CN第5页AN1160该应用笔记中使用的方法是基于简单的原理。然而，中性点电压是通过软件重构的，其值等于三相BEMF信号的平均值。因此，过零阈值的表达式如公式5所示。公式5：虚拟中性点与BEMF信号的关系然后，将重构的电机中性点与每一个BEMF信号进行比较以判断是否发生过零事件。当BEMF信号电压等于电机中性点电压时，发生过零事件。图5显示了如何用ADC来检测BEMF信号。如何利用软件来实现该方法将在下面各节中加以讨论。由于ADC采样到的样本受PWM开关频率引起的谐振过渡电压的影响，因此，如何确定BEMF信号被采样到的正确时刻是该方法的难点。这些样本还可能受电机绕组断电时产生的反冲电流的影响。图6显示了BEMF信号与电机虚拟中性点的曲线图。图7显示了BEMF信号与重构的虚拟中性点的曲线图。就测量而言，这种方法的优点是它更为灵活。当速度变化时，绕组特性可能发生波动，从而引起BEMF发生变化。在这种情况下，dsPICDSC器件对于确定何时产生过零点，是完全可控的。可以利用数字滤波器将高频开关噪声分量从BEMF信号中滤除。图5：利用dsPIC®DSCADC来检测BEMF电压VnBEMFABEMFBBEMFC++3----------------------------------------------------------------------------=其中Vn表示电机中性点电压BEMFA表示A相BEMFBEMFB表示B相BEMFBEMFC表示C相BEMF三相逆变器PWM3HPWM3LPWM2HPWM2LPWM1HPWM1LFLTA故障BLDCdsPIC30F2010AN3AN4AN5AN2期望值各相端电压反馈