無位置傳感器的電機(jī)控制方案與硬件設(shè)計(jì)

一、前言。

電機(jī)控制一般使用閉環(huán)控制，這就必須使用傳感器，如：霍爾傳感器、編碼盤等。

但是有的應(yīng)用場合下，難以安裝霍爾傳感器、編碼盤，或者就算是安裝好，也很容易損壞。

霍爾傳感器、編碼盤都屬于位置傳感器。

那么，無位置傳感器，是否也能控制電機(jī)?

答案是可以的。

二、方案。

方案如下圖所示。其中，3Phase Inverter由6個(gè)MOS管和MOS管驅(qū)動組成。

VBUS測量電機(jī)的母線電壓，假設(shè)電機(jī)由直流50V供電，則測量直流50V;由交流220V供電，則測量直流310V。

IBUS測量電機(jī)總電流，可用于防過流、電流環(huán)控制。

Demand是給定的轉(zhuǎn)速，用滑動電位器模擬轉(zhuǎn)速的輸入。

AN3、AN4、AN5引腳，用于測量電機(jī)的三相電壓。

這樣一來，沒有了位置傳感器，大大簡化了設(shè)備的安裝步驟。但是，會產(chǎn)生另外的一些問題。

電機(jī)如何啟動?如何換相?如何調(diào)速?

三、硬件。

上邊和下邊MOS管均使用N溝道的6N60，可以耐600V高壓。

MOS管驅(qū)動使用L6388ED，其內(nèi)部邏輯可以防止高邊和低邊MOS管同時(shí)導(dǎo)通。有自舉電容讓高邊MOS導(dǎo)通。

在單片機(jī)初始化時(shí)，要給L6388ED的自舉電容充電一段時(shí)間，否則高邊MOS管可能不導(dǎo)通，或者不完全導(dǎo)通。

L6388ED內(nèi)部框圖如圖所示。LIN=1，HIN=0，則LVG導(dǎo)通，HVG不導(dǎo)通，Cboot充電。

L6388ED自舉電容的容值可以由手冊上的公式計(jì)算得出，我這里控制低速電機(jī)，用的是10uF。

一旦自舉電容充完電手，MOS管可以在一段時(shí)間內(nèi)不需要充電，一般是電機(jī)每次啟動時(shí)充電。

建議使用15V給L6388ED供電，使用12V的話，可能讓MOS不導(dǎo)通或不完全導(dǎo)通，如下圖所示。

測量三相電壓，如下圖所示，NET_W是W相的電壓，而W可以直接接單片機(jī)的ADC，C11為100nF電容，該電容可以平滑相電壓，不能去掉，否則無法檢測反電動勢。U相和V相與此類似，這里不再贅述。

平滑之后的波形，呈馬鞍型，如下圖所示。

四、單片機(jī)算法。

該方案硬件是簡單了，但是算法復(fù)雜。

該算法分三個(gè)部分，對齊轉(zhuǎn)子、開環(huán)強(qiáng)制換相、利用反電動勢閉環(huán)換相。

4.1 對齊轉(zhuǎn)子。

先給自舉電容充電，然后強(qiáng)制給某一相PWM，讓轉(zhuǎn)子對齊在一個(gè)固定的扇區(qū)。

這種方法在絕大多數(shù)的情況下都能對齊，若不能對齊，會啟動失敗，此時(shí)，重新啟動即可。

對齊轉(zhuǎn)子的時(shí)間不宜過長，針對本文的低速電機(jī)，對齊時(shí)間約200ms。

4.2 開環(huán)強(qiáng)制換相。

這里的開環(huán)是指未檢測到反電動勢，強(qiáng)制輸出PWM，并且在預(yù)算好的時(shí)間換相，從而讓電機(jī)轉(zhuǎn)起來。

換相的方法，不同的電機(jī)可能不一樣(如：極數(shù)不同)，這里使用六步換相，如下圖所示。

其中，+VBUS表示上橋臂給PWM，-VBUS表示下橋臂給高電平導(dǎo)通，斜線表示上、下橋臂均不導(dǎo)通。

上、下橋臂均不導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)會產(chǎn)生反電動勢。

4.3 利用反電動勢閉環(huán)換相。

理想情況下，上、下橋臂均不導(dǎo)通時(shí)，在電機(jī)某一相電壓檢測到反電動勢過零，但是過零時(shí)刻和實(shí)際要換相的時(shí)刻，相差30度角。所以，在檢測到反電動勢過零之后，要延時(shí)30度，再換相。

實(shí)際情況下，延時(shí)的30度還要根據(jù)單片機(jī)內(nèi)部的ADC采樣，濾波算法進(jìn)行補(bǔ)償，這里的補(bǔ)償?shù)慕嵌纫话闶浅暗摹?/p>

假設(shè)超前x度，那么實(shí)際換相時(shí)刻為(30-x)度。

BEMF就是反電動勢，紅色箭頭指向的是換相時(shí)刻，如下圖所示。

但是，ADC采樣的電壓都是正電壓，沒有負(fù)，那就需要構(gòu)造一個(gè)虛擬中性點(diǎn)。

把三相電壓加起來取平均值，就是虛擬中性點(diǎn)。如下圖所示。

把虛擬中性點(diǎn)當(dāng)作是零點(diǎn)，這樣就能做到過零檢測。

虛擬中性點(diǎn)并不是一個(gè)恒定值，它的波形如下圖所示，類似正弦波。

檢測反電動勢過零，有兩種方法，一種是比較器，另一種是ADC采樣后濾波。

用比較器的方法，優(yōu)點(diǎn)是減少單片機(jī)的運(yùn)算量，缺點(diǎn)是增加硬件成本。

用ADC采樣的方法，優(yōu)點(diǎn)是減少硬件成本，缺點(diǎn)是增加單片機(jī)的運(yùn)算量。

由于這里需要用到的ADC采樣率要求不高(20KHz SPS)，所以用單片機(jī)內(nèi)部集成的ADC即可。

這里采用ADC采樣的方法。其濾波算法稱為擇多算法，在另一篇博文再詳細(xì)介紹。

五、注意事項(xiàng)。

1、ADC要在PWM高電平的中部采樣，可以避免毛刺的干擾。

2、六步換相的步調(diào)必須正確，否則無法檢測反電動勢。

六步換相有問題，可能不出現(xiàn)紅圈中的豎線，也可能不出現(xiàn)藍(lán)圈中的反電動勢。

反電動勢有問題，電機(jī)無法加速。

3、可以使用互補(bǔ)的PWM，也可以使用上橋臂為PWM，下橋臂為高低電平。

4、換相的波形如下圖所示。

5、黃色為經(jīng)過比較器后的波形(非本文使用的方法)，藍(lán)色為經(jīng)過電阻分壓和電容濾波后的波形。如下圖所示。

經(jīng)過比較器后的波形會產(chǎn)生三條豎線，這三條豎線是由于換相引起的，所以在換相時(shí)，不判斷過零。

在不換相時(shí)，去抖，判斷邊沿翻轉(zhuǎn)即是過零點(diǎn)，此方法比ADC濾波要簡單一些。

6、換相時(shí)刻不正確的波形，如下圖所示。

六、參考文獻(xiàn)

《使用反電動勢濾波進(jìn)行無傳感器BLDC控制》

《用擇多函數(shù)實(shí)現(xiàn)反電動勢濾波的無傳感器BLDC控制》

《AN1160》——MicroChip官方手冊及源代碼

dsPICDEM MCLV-2開發(fā)板資料——含硬件原理圖

L6388ED數(shù)據(jù)手冊

審核編輯：湯梓紅