bldc無(wú)傳感器：BLDC無(wú)位置傳感器控制的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題剖析

作者：趙云老師（張飛實(shí)戰(zhàn)電子高級(jí)工程師）
01概述：
在無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中，位置傳感器（如霍爾傳感器等）雖然為轉(zhuǎn)子位置提供了最直接最有效的檢測(cè)方法，但是它們也使電機(jī)的體積變大，需要的信號(hào)引線增多，生產(chǎn)成本增加。在某些應(yīng)用場(chǎng)合（如高溫高壓），位置傳感器的不可靠性更帶來(lái)了系統(tǒng)運(yùn)行失效的風(fēng)險(xiǎn)。因此，人們致力于尋找無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器的控制方法。本文將討論包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式、PWM 調(diào)制方式、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法等無(wú)位置傳感器控制的關(guān)鍵技術(shù)。
02電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的選擇：
1、主功率電路驅(qū)動(dòng)方式分析
無(wú)刷直流電機(jī)可以有多相結(jié)構(gòu)，每種結(jié)構(gòu)都可以用全橋或半橋電路來(lái)驅(qū)動(dòng)，而全橋驅(qū)動(dòng)又可分為星形和角形聯(lián)結(jié)以及不同的通電方式。不同的選擇會(huì)使電機(jī)及控制系統(tǒng)產(chǎn)生不同性能和成本。以應(yīng)用最廣泛的三相無(wú)刷直流電機(jī)為例，便有三相半橋驅(qū)動(dòng)、三相星形全橋驅(qū)動(dòng)、三相三角形全橋驅(qū)動(dòng)等多種方式如下圖一所示：
(a)半橋驅(qū)動(dòng)方式
(b)半橋驅(qū)動(dòng)方式
圖一：無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式示意圖
如上圖一(a)所示，三相半橋驅(qū)動(dòng)電路的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單，但電機(jī)繞組的利用率很低，每個(gè)繞組只通電1/3周期的時(shí)間，另外2/3時(shí)間處于斷電狀態(tài)，繞組未能得到充分利用，其運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大；對(duì)于要求較高的場(chǎng)合，一般采用三相全橋電路，如上圖一(b)所示。
無(wú)論電機(jī)繞組采用何種聯(lián)結(jié)方式，三相全橋驅(qū)動(dòng)電路都有兩兩導(dǎo)通和三三導(dǎo)通兩種通電方式。兩兩通電方式是指每一瞬間有兩只開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通或調(diào)制，每隔60度電角度換相一次，每次換相改變一只開(kāi)關(guān)管的狀態(tài)，每只開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通120度電角度；三三通電方式是指每一瞬間都有3只開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通或調(diào)制，每隔60度電角度換相一次，每個(gè)開(kāi)關(guān)管通電180度電角度。但是在三三通電方式中，對(duì)開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷和導(dǎo)通順序有嚴(yán)格的規(guī)定，稍有不慎便會(huì)造成上下橋臂同時(shí)導(dǎo)通，使直流電源短路而燒毀。
綜上分析，本文采用三相星形全橋驅(qū)動(dòng)電路，并采用兩兩導(dǎo)通的通電方式來(lái)探討無(wú)位置傳感器控制的關(guān)鍵技術(shù)。
2、六步換相法
無(wú)刷直流電機(jī)采用兩兩通電的三相星形全橋驅(qū)動(dòng)方式后，每個(gè)電周期內(nèi)換相六次，也即是我們常說(shuō)的六步換相法。根據(jù)通電繞組的不同，將一個(gè)電周期平均分成6步，稱(chēng)為6個(gè)區(qū)間或6個(gè)狀態(tài)，換相發(fā)生在兩個(gè)相鄰狀態(tài)的切換瞬間，由開(kāi)關(guān)管的切換完成。六步換相法的原理如下圖二所示。
(a)六步換相每個(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的電流方向
(b)定子繞組反電動(dòng)勢(shì)波形及開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通順序
圖二：六步換相原理示意圖
圖二(a)顯示了六步換相中每一步的電流流過(guò)電機(jī)繞組的方向，圖二(b)顯示了每一步電機(jī)繞組的反電動(dòng)勢(shì)波形及開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通情況。各開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通順序是V1V4、V1V6、V3V6、V3V2、V5V2、V5V4、V1V4……當(dāng)V1和V4導(dǎo)通時(shí)，電流從V1流入A相繞組，再?gòu)腂相繞組流出，經(jīng)V4流回電源，在這個(gè)狀態(tài)中，C相繞組是不通電的，即處于懸空狀態(tài)。每一狀態(tài)上都有兩相繞組通電，另外一相繞組懸空，這是六步換相法的重要特征，我們?cè)撈恼聦⒁懻摰臒o(wú)位置傳感器控制就是基于此實(shí)現(xiàn)的。
03PWM調(diào)制方式：
PWM控制是最常用的電機(jī)調(diào)速方式，尤其是近年來(lái)IGBT和MOSFET等電力電子器件的發(fā)展，PWM的調(diào)制頻率可達(dá)幾十甚至幾百kHz，為電機(jī)的寬轉(zhuǎn)速、快響應(yīng)靈活調(diào)速提供了條件。PWM控制主要是通過(guò)PWM波對(duì)橋式逆變橋功率管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)制達(dá)到對(duì)電流的控制和調(diào)節(jié)。根據(jù)PWM的作用時(shí)間和作用的開(kāi)關(guān)管不同，可以將PWM調(diào)制分為五種模式。在每個(gè)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的120度電角度的時(shí)間內(nèi)，五種調(diào)制模式如下圖三所示。
圖三：120度導(dǎo)通方式下五種PWM調(diào)制方式
(1)H_PWM-L_PWM模式：逆變橋上下橋臂采用互補(bǔ)的PWM信號(hào)進(jìn)行調(diào)制；
(2)ON_PWM模式：在每個(gè)開(kāi)關(guān)管的120度電角度導(dǎo)通空間中，前60度電角度保持恒通，后60度電角度進(jìn)行PWM調(diào)制；
(3)PWM_ON模式：在每個(gè)開(kāi)關(guān)管的120度電角度導(dǎo)通空間中，前60度電角度進(jìn)行PWM調(diào)制，后60度電角度保持恒通；
(4)H_PWM-L_ON模式：在每個(gè)通電狀態(tài)中，處于逆變橋中上橋臂的開(kāi)關(guān)管采用PWM調(diào)制，下橋臂的開(kāi)關(guān)管保持恒通；
(5)H_ON-L_PWM模式：在每個(gè)通電狀態(tài)中，處于逆變橋中上橋臂的開(kāi)關(guān)管保持恒通，下橋臂的開(kāi)關(guān)管采用PWM調(diào)制。
在五種調(diào)制方式中，上下橋臂同時(shí)調(diào)制的方式，如H_PWM-L_PWM，稱(chēng)為“全斬波”調(diào)制模式；其他四種調(diào)制方式，稱(chēng)為“半斬波”調(diào)制模式。“全斬波”模式的開(kāi)關(guān)損耗和定子繞組的電流脈動(dòng)均是其他“半斬波”模式的兩倍，而在“半斬波”的四種調(diào)制模式里，在上橋換相過(guò)程中，PWM_ON模式和H_PWM-L_ON下的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比ON_PWM模式和H_ON-L_PWM模式下的小；在下橋換相過(guò)程中，PWM_ON模式和H_ON-L_PWM下的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比ON_PWM模式和H_PWM-L_ON模式下的小。
考慮到控制的簡(jiǎn)單性，我們本文選擇最常用的H_PWM-L_ON模式（也被稱(chēng)為上橋斬波下橋恒通），也即在每個(gè)通電狀態(tài)中只對(duì)上橋臂進(jìn)行PWM調(diào)制，而下橋臂保持恒通。以狀態(tài)1為例，AB相導(dǎo)通，當(dāng)PWM高電平時(shí)，V1、V4導(dǎo)通，電源通過(guò)V1、V4，電流增加；當(dāng)PWM低電平時(shí)，V1關(guān)斷，V4導(dǎo)通，電流通過(guò)二極管續(xù)流。采用H_PWM-L_ON模式能有效的降低電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，特別是在高速情況下。完整的PWM控制信號(hào)如下圖四所示。
圖四：PWM控制信號(hào)波形圖
04反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)方法的實(shí)現(xiàn)：
對(duì)于反電動(dòng)勢(shì)為梯形波的無(wú)刷直流電機(jī)，通過(guò)檢測(cè)懸空相電壓的過(guò)零點(diǎn)，即可得到懸空相反電動(dòng)勢(shì)電壓的過(guò)零點(diǎn)。但是電機(jī)的引出線一般只有 A、B、C 三相繞組的引線，能夠直接檢測(cè)到的物理量只有端電壓和相電流，因此只有對(duì)這些物理量進(jìn)行處理和運(yùn)算，才能獲得電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)，檢測(cè)其過(guò)零點(diǎn)。
由于絕大部分電機(jī)的中性點(diǎn)并沒(méi)有引出，因此無(wú)法直接將定子端電壓與中性點(diǎn)電壓進(jìn)行比較來(lái)獲取過(guò)零點(diǎn)。針對(duì)這種情況，其中一種解決方法就是將端電壓與直流母線電壓的一半進(jìn)行比較，假定端電壓等于VDC/2 的時(shí)候發(fā)生反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零事件，如下圖五所示。這種電路容易實(shí)現(xiàn)，只需在繞組引出線上接上比較器即可，故一共需要三個(gè)比較器。但是這種方法檢測(cè)到的端電壓信號(hào)有正負(fù)相移，而且大多數(shù)情況下電機(jī)的額定電壓小于 VDC 電壓，因此反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零事件并非總發(fā)生在 VDC/2 處，故檢測(cè)不準(zhǔn)確。
圖五：端電壓與直流母線電壓的一半進(jìn)行比較示意圖
另一種方法是將三相定子端電壓通過(guò)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)來(lái)構(gòu)成虛擬中性電壓，通過(guò)比較端電壓與虛擬中性點(diǎn)電壓來(lái)獲取反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)，如下圖六所示。但是由于電機(jī)采用PWM 調(diào)速，定子端電壓上都會(huì)疊加高頻干擾，影響到反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)的獲取。在許多情況下，都是采用電阻分壓并搭配RC低通濾波來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但是這樣會(huì)導(dǎo)致反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)大幅度地衰減，并且會(huì)帶來(lái)過(guò)零點(diǎn)的相移問(wèn)題，后期要進(jìn)行相位補(bǔ)償，增加了控制的復(fù)雜程度。
圖六：端電壓與虛擬中性點(diǎn)進(jìn)行比較
由上可見(jiàn)，這些方法都依賴(lài)于片外比較器，而且可能存在過(guò)零點(diǎn)的相移問(wèn)題。我們這篇文章在六步換相法和反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上，探討更具針對(duì)性而且實(shí)現(xiàn)更方便的過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)方法。
由圖二(b)可以看出，在每個(gè)狀態(tài)中，懸空相的反電動(dòng)勢(shì)正負(fù)號(hào)都會(huì)發(fā)生變化，故只要我們檢測(cè)到其反電動(dòng)勢(shì)正負(fù)號(hào)跳變的瞬間，即可捕捉到其過(guò)零點(diǎn)。以狀態(tài)1為例，此時(shí)電流從A相繞組流入，由B 相繞組流出，C相懸空。此時(shí)的電機(jī)等效電路如下圖七所示：
圖七：狀態(tài)1電機(jī)等效電路
根據(jù)等效電路，A、B 相繞組形成電流回路，C相繞組無(wú)電流，可得：
式(1)
式中：va、vb、vc ---- A、B、C 三相端電壓；
R、L ---- 定子繞組等效電阻、電感；
i ---- 定子繞組電流；
ea、eb、ec ---- A、B、C 三相反電動(dòng)勢(shì)；
un ---- 定子繞組中性點(diǎn)電壓。
反電勢(shì)是梯形波，在狀態(tài)1有ea + eb=0 ，將式(1)前兩式相加，得：
式(2)
對(duì)式(2)進(jìn)行整理，得：
 式(3)
由式(1)的第三個(gè)式子可得C相反電勢(shì)表達(dá)式：
式(4)
由式(4)可見(jiàn)，C相反電勢(shì)的表達(dá)式各項(xiàng)均為三相端電壓，均可直接測(cè)量。要檢測(cè) ec過(guò)零，只需檢測(cè)
的瞬間即可。由于在該狀態(tài)1內(nèi)，ec為下降沿穿越零點(diǎn)，故只需檢測(cè)ec從正到負(fù)的跳變即可。因此，當(dāng)三相端電壓的關(guān)系滿足
，即是
時(shí)，說(shuō)明 ec出現(xiàn)了過(guò)零點(diǎn)。捕捉到過(guò)零點(diǎn)后，經(jīng)過(guò)30度電角度，就到達(dá)換相點(diǎn)，此時(shí)應(yīng)該將繞組切換至狀態(tài)2的通電狀態(tài)（正轉(zhuǎn)情況下），即應(yīng)該將V4關(guān)斷，保持V1導(dǎo)通，并將V6開(kāi)通，進(jìn)入狀態(tài)2通電狀態(tài)。等到狀態(tài)2的過(guò)零條件滿足時(shí)，再延時(shí)30度電角度，則應(yīng)該把開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)切換成狀態(tài)3對(duì)應(yīng)的狀態(tài)……如此循環(huán)往復(fù)，便可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)傳感器運(yùn)行。
對(duì)照狀態(tài)1，可以得出其他各狀態(tài)的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零條件及換相說(shuō)明，如下表一所示：
表一：各狀態(tài)反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零條件及換相說(shuō)明
對(duì)照?qǐng)D二和表一可以看出，要實(shí)現(xiàn)換相，只需要在檢測(cè)到反電勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)再延時(shí)30度電角度后，把定子繞組的通電狀態(tài)切換為下一區(qū)間所對(duì)應(yīng)的狀態(tài)就可以了。而這種檢測(cè)方法僅僅依賴(lài)于端電壓，不需要中性點(diǎn)，也不需要片外比較器，而且運(yùn)算過(guò)程簡(jiǎn)單，只需要用單片機(jī)的 ADC 模塊對(duì)端電壓進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換后，就可以在內(nèi)部進(jìn)行過(guò)零事件的檢測(cè)，滿足條件時(shí)輸出1，否則輸出0。而由 PWM 調(diào)制引起的高頻噪聲對(duì)過(guò)零檢測(cè)的干擾，可以通過(guò)基于擇多函數(shù)的數(shù)字濾波器來(lái)消除。
本篇文章我們先講這么多，關(guān)于擇多函數(shù)數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)，將會(huì)在后面的文章中繼續(xù)給大家分享。
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bldc無(wú)傳感器：BLDC無(wú)刷直流電機(jī)（無(wú)傳感器）控制有哪些方法？

BLDC無(wú)刷直流電機(jī)一般都是用霍爾傳感器來(lái)?yè)Q向的，請(qǐng)問(wèn)去掉傳感器有哪些控制方法？  好像是采用反電動(dòng)勢(shì)？
無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)正迅速成為要求高可靠性，高效率和高功率體積比的應(yīng)用的自然選擇。這些電機(jī)在很寬的速度范圍內(nèi)提供大量的扭矩，并且與有刷電機(jī)具有相似的扭矩和速度性能曲線特性（盡管有刷電機(jī)可提供更大的靜止扭矩）。
BLDC電機(jī)由于消除了傳統(tǒng)直流電機(jī)換向時(shí)使用的電刷而具有顯著的可靠性。刷子磨損，降低了電機(jī)的性能，最終必須更換。相反，在額定參數(shù)范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，BLDC電機(jī)的預(yù)期壽命可超過(guò)10，000小時(shí)或更長(zhǎng)。與傳統(tǒng)裝置相比，這種壽命以及隨后的維護(hù)和備件成本的降低可以抵消電機(jī)的較高初始成本。
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BLDC電機(jī)正在進(jìn)入最具成本意識(shí)的應(yīng)用領(lǐng)域。例如，在汽車(chē)領(lǐng)域，BLDC電機(jī)的使用正在飆升。汽車(chē)制造商尤其被電機(jī)在機(jī)械工作中轉(zhuǎn)換電能的效率所吸引，這有助于降低對(duì)車(chē)輛電力系統(tǒng)的需求（圖1）。
BLDC電機(jī)的這種興趣促使芯片供應(yīng)商為該單元的電子控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)定制的單片芯片。本文將詳細(xì)介紹BLDC電機(jī)控制芯片 - 用于驅(qū)動(dòng)逆變橋的設(shè)備，最終激活電機(jī)線圈并控制速度和方向等參數(shù)。
01  減少霍爾傳感器故障
飛兆半導(dǎo)體公司擁有BLDC電機(jī)控制的悠久歷史，最近推出的FCM8201芯片仍在繼續(xù)。該器件專(zhuān)為感應(yīng)BLDC電機(jī)控制而設(shè)計(jì)。（傳感電機(jī)需要霍爾效應(yīng)傳感器來(lái)指示線圈位置以輔助電子換向序列）。
FCM8201的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)步是它可以選擇脈沖寬度調(diào)制（PWM）模式。有兩種PWM模式可供選擇：正弦波模式和方波模式。方波模式包括PWM-PWM和PWM-ON技術(shù)，可提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)效率。
Fairchild解釋說(shuō)，該器件還內(nèi)置霍爾信號(hào)調(diào)節(jié)電路，可為每個(gè)傳感器信號(hào)輸入產(chǎn)生3至6μs的“去抖”時(shí)間。該電路減少了霍爾傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換緩慢時(shí)可能出現(xiàn)的毛刺 - 以及隨后的錯(cuò)誤。
FCM8201可以在沒(méi)有外部微控制器（MCU）的獨(dú)立配置中使用，或者如果設(shè)計(jì)人員想要添加比標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備支持更多的電機(jī)控制功能，則可以通過(guò)串行外設(shè)接口連接外部MCU（ SPI）接口。圖2顯示了FCM8201的典型獨(dú)立應(yīng)用電路。只需幾個(gè)外圍元件即可完成BLDC電機(jī)控制電路。
02 使用電機(jī)磁通進(jìn)行無(wú)傳感器控制
無(wú)傳感器BLDC電機(jī)取消霍爾傳感器，而是依靠電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)的大小來(lái)估算線圈位置并確定正確的換向順序。
無(wú)傳感器控制是一種流行的技術(shù)，因?yàn)樗?jiǎn)化了電機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)，但一個(gè)缺點(diǎn)是電機(jī)靜止時(shí)不會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，而電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)則很少。這使得控制器難以確定線圈的位置。
針對(duì)低成本BLDC安裝，德州儀器（TI）推出了InstaSPIN-BLDC電機(jī)控制技術(shù)來(lái)解決這一問(wèn)題。該公司表示，InstaSPIN-BLDC是一種無(wú)傳感器控制技術(shù)，在50多種不同電機(jī)類(lèi)型的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，能夠在不到20秒的時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)和運(yùn)行每臺(tái)電機(jī)。簡(jiǎn)而言之，TI將InstaSPIN-BLDC描述為在三相BLDC電機(jī)上執(zhí)行無(wú)傳感器換向的軟件方法。據(jù)該公司稱(chēng)，它的優(yōu)勢(shì)包括電機(jī)調(diào)試非常快速，即使在低速時(shí)也能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的控制，以及超越速度擾動(dòng)的卓越能力。
與基于反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零時(shí)序的其他無(wú)傳感器BLDC控制技術(shù)不同，InstaSPIN-BLDC監(jiān)控電機(jī)的磁通量，以確定何時(shí)換向電機(jī)。在自由圖形用戶(hù)界面（GUI）的幫助下（圖3），用戶(hù)在繪圖窗口中確定通量信號(hào)，并設(shè)置“通量閾值”滑塊以指定電機(jī)應(yīng)換向的通量水平。TI表示，可以通過(guò)觀察GUI上顯示的相電壓和電流波形來(lái)驗(yàn)證最佳換向。
圖3：TI的InstaSPIN-BLDC使用一個(gè)免費(fèi)的GUI來(lái)啟用設(shè)計(jì)工程師為快速電機(jī)啟動(dòng)設(shè)置磁通閾值。
與磁通信號(hào)不同，低傳感器BLDC電機(jī)在較低速度下產(chǎn)生的低反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)導(dǎo)致較差的信噪比（SNR）性能。該公司聲稱(chēng)InstaSPIN-BLDC可在低速下實(shí)現(xiàn)更平穩(wěn)的操作，即使在重負(fù)載下也能提供更可靠的電機(jī)啟動(dòng)。
TI為其InstaSPIN-BLDC提供培訓(xùn)模塊。該公司還提供使用DRV8312/32 BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的三相BLDC電機(jī)套件（DRV8312-C2-KIT）和帶有F controlCARD子系統(tǒng)的Piccolo MCU，以運(yùn)行無(wú)傳感器InstaSPIN-BLDC技術(shù)。該公司發(fā)布了一份應(yīng)用報(bào)告，詳細(xì)說(shuō)明了如何設(shè)置系統(tǒng)。
03 設(shè)計(jì)的靈活性
一些制造商提供沒(méi)有集成處理器的驅(qū)動(dòng)芯片，以便熟悉特定MCU的設(shè)計(jì)人員使用該設(shè)備進(jìn)行監(jiān)督電路。或者，與上述Fairchild芯片的情況一樣，一些供應(yīng)商允許設(shè)計(jì)人員通過(guò)添加更強(qiáng)大的外部MCU來(lái)覆蓋內(nèi)部處理器。
傳感器和無(wú)傳感器BLDC電機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于它們?cè)絹?lái)越多地應(yīng)用于以前由傳統(tǒng)電機(jī)主導(dǎo)的應(yīng)用。雖然比后者更昂貴，但這種前期費(fèi)用可以抵消較低的維護(hù)成本和BLDC電機(jī)的較長(zhǎng)壽命。
希望利用這些輕巧，緊湊，功能強(qiáng)大的電機(jī)的設(shè)計(jì)人員會(huì)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)引入主要芯片供應(yīng)商的芯片和設(shè)計(jì)工具，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得更加容易。還有一些選項(xiàng)可以讓設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)中獲得更大的靈活性，從而增加將最終產(chǎn)品與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手區(qū)分開(kāi)來(lái)的機(jī)會(huì)。

bldc無(wú)傳感器：三相無(wú)傳感器BLDC控制器方案

峰岹科技68系列(6801、6802、6803、6804)是集成 8051 內(nèi)核和電機(jī)控制引擎(ME)的“雙核”電機(jī)驅(qū)動(dòng)MCU，8051 內(nèi)核處理常規(guī)事務(wù)，ME 處理電機(jī)實(shí)時(shí)事務(wù)，雙核協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)各種高性能電機(jī)控制。低壓應(yīng)用芯片內(nèi)部集成MOSFET驅(qū)動(dòng)電路。其中 8051 內(nèi)核大部分指令周期為 1T 或 2T，芯片內(nèi)部集成有高速運(yùn)算放大器、比較器、Pre-driver、高速ADC、高速乘/除法器、CRC、SPI、I2C、UART、多種 TIMER、PWM 等功能，內(nèi)置高壓 LDO，適用于 BLDC/PMSM 電機(jī)的方波、SVPWM/SPWM、FOC 驅(qū)動(dòng)控制，可廣泛應(yīng)用于電動(dòng)工具、電調(diào)、園林工具、消費(fèi)電子等領(lǐng)域。此處以6861系列芯片為例，介紹本公司三相無(wú)感BLDC控制器方案的特點(diǎn)。

FU6861芯片特性：
“雙核”：高速8051內(nèi)核，專(zhuān)用電機(jī)控制引擎(ME)；
寬電壓輸入：5V~36V；
內(nèi)置6N Pre-driver驅(qū)動(dòng)；
Pre-driver輸出峰值電流：H:0.8A；L:0.8A；
8通道12位高速ADC；
集成4個(gè)運(yùn)算放大器；
集成4路比較器；
I2C/SPI/UART接口；
16Kx8bit Flash ROM、帶CRC校驗(yàn)功能、支持程序自燒錄和代碼保護(hù)功能堵轉(zhuǎn)保護(hù)（堵轉(zhuǎn)信號(hào)輸出）；
256x8bit IRAM，768x8bit XRAM;
單周期16*16位乘法器，32 / 16位除法器（16個(gè)時(shí)鐘周期）；
兩線制 ICE 在線仿真功能；
4級(jí)優(yōu)先級(jí)中斷、16個(gè)中斷源；
內(nèi)置24MHz±2%精準(zhǔn)時(shí)鐘；
應(yīng)用：電動(dòng)工具 園林工具 航模電調(diào) 消費(fèi)電子
FU6861Q(QFN56)。
圖1 FU6861Q框圖
FU6861方波驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)：
1、 驅(qū)動(dòng)方式方波，初始位置檢測(cè)，啟動(dòng)力矩大；
2、 內(nèi)部軟件完成速度閉環(huán)以及限流；
3、 集成MOSFET驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電流大，可靠性高；
4、 集成反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零比較器，通用運(yùn)算放大器，簡(jiǎn)化外圍電路；
5、 無(wú)感電機(jī)啟動(dòng)參數(shù)外部可調(diào)，不同負(fù)載電機(jī)均能順利啟動(dòng)；
6、 多種調(diào)速方式；
7、 方案成熟可靠，開(kāi)發(fā)周期短。

方案應(yīng)用：
圖2所示為FU6861電動(dòng)工具應(yīng)用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)板PCBA，配合公司成熟代碼幫助客戶(hù)快速完成項(xiàng)目。
圖2 FU6861電動(dòng)工具驅(qū)動(dòng)板PCBA
電動(dòng)工具評(píng)估板特性:
8~36v輸入電壓
無(wú)HALL方波控制
15A輸出電流，90A峰值電流
電位計(jì)調(diào)試，按鍵啟停，按鍵正反轉(zhuǎn)
故障報(bào)警指示
原理圖：

bldc無(wú)傳感器：無(wú)傳感器BLDC和FOC堵轉(zhuǎn)檢測(cè)方法

基于S12ZVM的車(chē)用無(wú)傳感器BLDC堵轉(zhuǎn)檢測(cè)方法探討
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介紹了車(chē)用無(wú)傳感器BLDC堵轉(zhuǎn)檢測(cè)的重要性以及實(shí)現(xiàn)的方法，分別講述了六步方波堵轉(zhuǎn)檢測(cè)以及FOC正弦波堵轉(zhuǎn)檢測(cè)的方法。重點(diǎn)介紹了基于S12ZVM的FOC正弦波堵轉(zhuǎn)檢測(cè)的原理、代碼實(shí)現(xiàn)和測(cè)試。最后總結(jié)了S12ZVM在車(chē)用BLDC電機(jī)控制中的優(yōu)勢(shì)，特別是對(duì)于FOC正弦波控制而言。有了恩智浦強(qiáng)大的汽車(chē)電機(jī)Enablement，AMMCLIB，F(xiàn)reeMASTER、MCAT、ToolBox等等，很多復(fù)雜的功能和算法實(shí)現(xiàn)起來(lái)都容易了很多。本文希望對(duì)于使用S12ZVM來(lái)開(kāi)發(fā)BLDC項(xiàng)目的工程師，能起到一定的幫助作用。

隨著汽車(chē)自動(dòng)化程度不斷提高，電機(jī)在汽車(chē)上的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。無(wú)論是傳統(tǒng)燃油汽車(chē)還是新能源汽車(chē)，電機(jī)作為執(zhí)行器，扮演著越來(lái)越重要的角色。汽車(chē)電機(jī)大家族里面有一類(lèi)電機(jī)叫流體控制類(lèi)電機(jī)，包括各類(lèi)風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)、水泵、油泵以及壓縮機(jī)等。這些電機(jī)目前很多都已經(jīng)使用無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC），或者在往無(wú)刷直流電機(jī)切換的過(guò)程中。無(wú)刷直流電機(jī)有著高效、高可靠性的特點(diǎn)，再加上流體類(lèi)電機(jī)幾乎不工作在低速區(qū)，因此無(wú)傳感器的無(wú)刷直流電機(jī)控制就特別適合汽車(chē)的這些應(yīng)用。

無(wú)刷直流電機(jī)的無(wú)傳感器控制一般包含方波控制和正弦波控制。無(wú)論是哪一種控制方式，由于沒(méi)有傳感器信號(hào)的接入，一旦遇到外界阻力或者巨大的負(fù)載突變，都可能會(huì)使得系統(tǒng)進(jìn)入到堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。在這種堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下，電機(jī)只是原地抖動(dòng)并消耗電流，而系統(tǒng)會(huì)處于異常狀態(tài)。長(zhǎng)時(shí)間保持這樣的狀態(tài)，無(wú)疑是有害的。

眾所周知，對(duì)于有傳感器的無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)，堵轉(zhuǎn)檢測(cè)就變得很簡(jiǎn)單了。只需要檢測(cè)傳感器信號(hào)是否在正常刷新就可以了，而對(duì)于無(wú)傳感器系統(tǒng)，可靠的堵轉(zhuǎn)檢測(cè)就變得沒(méi)那么容易了。本文會(huì)就這個(gè)議題進(jìn)行詳盡的解析，希望可以起到拋磚引玉的作用，對(duì)大家無(wú)傳感器的無(wú)刷直流電機(jī)控制項(xiàng)目起到實(shí)際的幫助作用。

一． 六步方波無(wú)傳感器BLDC堵轉(zhuǎn)檢測(cè)

對(duì)于直流無(wú)刷電機(jī)的無(wú)傳感器六步方波，轉(zhuǎn)子位置信息的獲取是通過(guò)對(duì)三相反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)進(jìn)行采集、比較和計(jì)算得到的；其轉(zhuǎn)速也是通過(guò)根據(jù)過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間差計(jì)算得來(lái)的。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。但如何來(lái)實(shí)現(xiàn)其堵轉(zhuǎn)檢測(cè)功能呢？NXP的無(wú)傳感器BLDC方波控制方案給出了答案，總體思路就是對(duì)反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零的周期進(jìn)行判斷。如果反電動(dòng)過(guò)零周期異常并持續(xù)一段時(shí)間，就觸發(fā)堵轉(zhuǎn)檢測(cè)。在AN4704的參考程序中，StallCheck函數(shù)就是實(shí)現(xiàn)堵轉(zhuǎn)檢測(cè)的。可以看到首先該函數(shù)對(duì)6個(gè)過(guò)零點(diǎn)周期進(jìn)行判斷，找出最大值和最小值；然后再計(jì)算6個(gè)過(guò)零點(diǎn)周期的平均值；接著對(duì)過(guò)零點(diǎn)周期平均值和最大值的一半以及過(guò)零點(diǎn)周期平均值和最小值的2倍進(jìn)行比較，如果過(guò)零點(diǎn)周期平均值小于最大值的一半或者大于最小值的2倍，那么就屬于異常狀態(tài)，堵轉(zhuǎn)檢測(cè)故障因子就增加。另外一點(diǎn)就是還要考察如果過(guò)零點(diǎn)周期的最小值，看其是否小于設(shè)定的堵轉(zhuǎn)檢測(cè)換相周期最小值，如果是的話，堵轉(zhuǎn)故障因子也增加。如果以上的條件都不滿足的話，堵轉(zhuǎn)因子就減小。最后判斷堵轉(zhuǎn)因子的值如果超過(guò)設(shè)定值，就產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)事件停機(jī)。

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圖1 無(wú)傳感器BLDC方波控制系統(tǒng)框圖

經(jīng)過(guò)實(shí)踐的證明，無(wú)論是啟動(dòng)階段還是正常運(yùn)行階段，該堵轉(zhuǎn)檢測(cè)方法都可以可靠且有效的檢測(cè)出堵轉(zhuǎn)事件。其后面的物理含義也是比較好理解的，我們都知道電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，一個(gè)電周期中有6次換向，對(duì)于大部分流體類(lèi)應(yīng)用，連續(xù)的6個(gè)換向周期內(nèi)不會(huì)存在很大的突變，因此其平均值和最大值及最小值的差距不會(huì)特別大，且最小值也不會(huì)特別小，因此這兩個(gè)判據(jù)是可以可靠的把堵轉(zhuǎn)事件給檢測(cè)出來(lái)的。

相應(yīng)的代碼請(qǐng)參考AN4704的軟件包里的StallCheck函數(shù)。當(dāng)然，可以根據(jù)電機(jī)參數(shù)及實(shí)際應(yīng)用，修改STALLCHECK_MIN_CMT_PERIOD和STALLCHECK_MAX_ERRORS的值。對(duì)于STALLCHECK_MIN_CMT_PERIOD參數(shù)，主要是考慮到電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的值，其越小，電機(jī)的轉(zhuǎn)速越高，堵轉(zhuǎn)事件發(fā)生的條件就越苛刻；對(duì)于STALLCHECK_MAX_ERRORS參數(shù)，實(shí)際上就是容錯(cuò)處理，其值越大，也是越不容易發(fā)生堵轉(zhuǎn)事件。

StallCheck的流程圖如圖2所示。對(duì)于方波控制來(lái)講，堵轉(zhuǎn)檢測(cè)確實(shí)不算復(fù)雜，那對(duì)于磁場(chǎng)定向控制的無(wú)傳感器方案呢，堵轉(zhuǎn)檢測(cè)功能該怎么做呢？

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圖2 無(wú)傳感器BLDC方波控制堵轉(zhuǎn)檢測(cè)流程圖

二． 正弦波FOC無(wú)傳感器堵轉(zhuǎn)檢測(cè)

目前對(duì)于無(wú)刷直流電機(jī)的無(wú)傳感器FOC控制來(lái)講，其堵轉(zhuǎn)檢測(cè)一般有兩種方法，速度波動(dòng)檢測(cè)法和反電動(dòng)勢(shì)校驗(yàn)法。

2.1 速度波動(dòng)檢測(cè)法

速度波動(dòng)檢測(cè)法的基本思路就是在快速環(huán)路（電流環(huán)）內(nèi)記錄觀測(cè)器輸出的速度值，然后在慢速環(huán)路（速度環(huán)）內(nèi)計(jì)算速度的平均值以及速度的波動(dòng)。如果速度的波動(dòng)超過(guò)設(shè)定的閾值就可以判斷為發(fā)生了堵轉(zhuǎn)事件。是不是感覺(jué)這種方法似曾相識(shí)呢。速度波動(dòng)法和前面介紹的無(wú)傳感器BLDC的方波控制堵轉(zhuǎn)檢測(cè)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)思路，那就是判斷速度反饋是否合理。由于速度波動(dòng)檢測(cè)法本身比較簡(jiǎn)單，另外對(duì)于一些反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)器來(lái)講，在某些特定場(chǎng)景下，這種方法可能失效，特別是負(fù)載突變的時(shí)候，反電動(dòng)觀測(cè)器還會(huì)繼續(xù)工作，電機(jī)相電流波形也很好，速度輸出也會(huì)很穩(wěn)定，但實(shí)際上電機(jī)并沒(méi)有運(yùn)行而是在原地抖動(dòng)。基于這個(gè)原因，本文并不推薦速度波動(dòng)檢測(cè)法來(lái)檢測(cè)堵轉(zhuǎn)事件，也就不再花篇幅來(lái)深入下去了。另一方面，反電動(dòng)勢(shì)校驗(yàn)法則可靠很多，會(huì)是本文的重點(diǎn)。

2.2 反電動(dòng)勢(shì)校驗(yàn)法

目前反電動(dòng)勢(shì)校驗(yàn)法是檢測(cè)無(wú)傳感器FOC方案的主流方案。接下來(lái)會(huì)重點(diǎn)介紹該方法的原理、代碼實(shí)現(xiàn)及測(cè)試等。

2.2.1原理

對(duì)于無(wú)傳感器的FOC控制，恩智浦方案中最常用的是反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)器，其框圖如圖3所示。該觀測(cè)器將αβ坐標(biāo)系的電壓和電流通過(guò)Park變換到垂直的γδ坐標(biāo)系。而γδ坐標(biāo)系和同步坐標(biāo)系dq之間的角度差是θerr。后面的Position Tracking Controller實(shí)際上就是個(gè)PLL，目標(biāo)是鎖定θerr=0；從而確保輸出的θestim和轉(zhuǎn)子真實(shí)的位置重合。圖4為γδ坐標(biāo)示意圖。

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圖3 反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)器和PLL框圖

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圖4 γδ坐標(biāo)系示意圖

由圖3可以看到back-EMF State Filter的輸出是γδ坐標(biāo)系的反電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)γδ坐標(biāo)系與dq坐標(biāo)系重合的時(shí)候，Eδ實(shí)際上就是Eq。如果觀測(cè)器正常工作，Eδ的輸出是和轉(zhuǎn)速成正比例的，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的情況下，Eδ也是平穩(wěn)的。從另一個(gè)角度來(lái)看，對(duì)于q軸反電動(dòng)勢(shì)，如果知道反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)和轉(zhuǎn)速，也是可以根據(jù)公式來(lái)計(jì)算得到的。這樣就會(huì)有兩種途徑來(lái)獲得q軸的反電動(dòng)勢(shì)，一個(gè)是從觀測(cè)器輸出得到，另一個(gè)是從轉(zhuǎn)速和反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)得到。如果兩個(gè)途徑得到的反電動(dòng)Eq相差比較大，超出了閾值，就可以判定為堵轉(zhuǎn)事件。原理圖框圖如圖5所示。

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圖5 反電動(dòng)勢(shì)校驗(yàn)法原理框圖

2.2.2 代碼實(shí)現(xiàn)

由于恩智浦在汽車(chē)電機(jī)控制上的積累，使得AMMCLIB（Automotive Math and Motor Control Library）非常適合于汽車(chē)電機(jī)的應(yīng)用。無(wú)論是數(shù)學(xué)運(yùn)算還是各種濾波器，目前AMMCLIB都能很好的支持，同時(shí)AMMCLIB還集成了包括擴(kuò)展的反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)器在內(nèi)的諸多高級(jí)電機(jī)控制算法。AMMCLIB可以說(shuō)是為汽車(chē)行業(yè)量身定做的，其滿足SPICE LEVEL 3標(biāo)準(zhǔn)。因此本文的代碼也是基于AMMCLIB來(lái)寫(xiě)的。

上面的原理框圖中，ε為允許偏差范圍百分比；如果允許20%偏差，那么ε=0.2；Ke與Ke_offset可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法得到。舉例說(shuō)明如下，比如恩智浦的演示電機(jī)，可以分別讓其跑在1000RPM、2000RPM、3000RPM以及4000RPM穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下，分別得到其Eq值和轉(zhuǎn)速值。然后做一個(gè)線性方程就可以解出Ke和Ke_offset，理論上兩個(gè)點(diǎn)就可以了。然后設(shè)置一個(gè)合理的ε值，比如20%。這樣就可以算出來(lái)Eq的變化范圍，然后去比較Eδ和Eq的范圍邊界，如果出界，ErrorCounter加1。如果在一定的Counter范圍內(nèi)，ErrorCounter超出設(shè)置閾值，則判斷為堵轉(zhuǎn)事件發(fā)生。圖6對(duì)Eδ的允許范圍做了很清晰的描述，如果Eδ不在藍(lán)色的范圍帶內(nèi)，就說(shuō)明觀測(cè)器輸出是異常的，積累一定次數(shù)后就可以判定堵轉(zhuǎn)事件。然后就可以進(jìn)入到堵轉(zhuǎn)故障處理程序了，通常是停機(jī)，然后嘗試重新啟動(dòng)。這部分代碼實(shí)現(xiàn)不算復(fù)雜，目前實(shí)現(xiàn)該功能的基本代碼已經(jīng)寫(xiě)好了，限于篇幅的原因，就不直接放出來(lái)了。

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圖6 反電動(dòng)勢(shì)Eδ允許的范圍示意圖

2.2.3 測(cè)試

堵轉(zhuǎn)檢測(cè)的測(cè)試主要考察兩個(gè)方面，一個(gè)是啟動(dòng)階段，一個(gè)是正常運(yùn)行階段。測(cè)試平臺(tái)采用恩智浦的S12ZVMx12EVB開(kāi)發(fā)套件，搭配12V電源和示波器。如圖7所示。

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圖7 無(wú)刷直流電機(jī)堵轉(zhuǎn)檢測(cè)平臺(tái)

測(cè)試1：?jiǎn)?dòng)階段用手堵住電機(jī)的圓盤(pán)，然后啟動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，目標(biāo)轉(zhuǎn)速1000RPM。因?yàn)殡姍C(jī)被堵轉(zhuǎn)，沒(méi)法轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)電機(jī)出現(xiàn)抖動(dòng)，電流保持正弦。此時(shí)堵轉(zhuǎn)檢測(cè)功能沒(méi)有使能，電流激勵(lì)一直維持。

測(cè)試2：其他條件和測(cè)試1一致，使能堵轉(zhuǎn)檢測(cè)功能。電機(jī)在抖動(dòng)幾秒后觸發(fā)了堵轉(zhuǎn)故障，成功了檢測(cè)出了堵轉(zhuǎn)故障。重復(fù)10次每次都可以成功。

測(cè)試3：其他條件和測(cè)試2一致，但沒(méi)有在啟動(dòng)前就堵轉(zhuǎn)電機(jī)，而是等待進(jìn)入速度閉環(huán)，也就是穩(wěn)定跑到1000RPM時(shí)，突然施加外力到圓盤(pán)上，電機(jī)在勵(lì)磁幾秒后觸發(fā)了堵轉(zhuǎn)故障，成功的檢測(cè)出堵轉(zhuǎn)事件。整個(gè)測(cè)試故障可以在FreeMaster上進(jìn)行查看，一個(gè)觸發(fā)成功的圖片如圖7所示。

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圖8 FreeMASTER上堵轉(zhuǎn)故障被觸發(fā)

測(cè)試結(jié)論：該堵轉(zhuǎn)檢測(cè)方法經(jīng)過(guò)測(cè)試驗(yàn)證是有效的。

三． 總結(jié)

本文所用的測(cè)試平臺(tái)就是恩智浦的S12ZVM系列，屬于MagniV家族重要成員。S12ZVM內(nèi)部集成了電源（LDO）、功率器件的PreDriver（GDU）、通信接口（LIN、PWM或者CAN）以及S12Z內(nèi)核的高速高效率單片機(jī)。總之，S12ZVM是一個(gè)高度集成的智慧型產(chǎn)品，非常適合一體化BLDC的驅(qū)動(dòng)。

以下羅列S12ZVM對(duì)于FOC控制的諸多優(yōu)點(diǎn)，還有很多優(yōu)點(diǎn)都沒(méi)法一一羅列，用過(guò)的都知道。

1. 內(nèi)核以及PWM時(shí)鐘最高100MHz，總線速度可達(dá)50MHz；

2. 雙路12位ADC，可同時(shí)支持兩相電流采樣，確保電流精度；

3. 內(nèi)置雙運(yùn)放，運(yùn)放輸出直連比較器，確保硬件保護(hù)的可靠；

4. PTU、ADC以及PWM協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)DMA搬運(yùn)數(shù)據(jù)，可以在PWM的任意位置觸發(fā)ADC，且非常適合需要?jiǎng)討B(tài)更改和多次觸發(fā)的場(chǎng)景；

5. 恩智浦的FreeMASTER搭配MCAT，F(xiàn)OC控制so easy；

正因?yàn)槎髦瞧謴?qiáng)大的芯片和Enablement的支持，BLDC的控制就變得簡(jiǎn)單了很多，而且在這個(gè)平臺(tái)上開(kāi)發(fā)其他功能也簡(jiǎn)單了。本文就是基于恩智浦的Enablement開(kāi)發(fā)了無(wú)傳感器BLDC的堵轉(zhuǎn)檢測(cè)功能，從BLDC方波到FOC正弦波，都給出了解決方案。