如何實現(xiàn)無傳感器初始位置檢測

隨著真空吸塵器、洗碗機(jī)和冰箱等電機(jī)驅(qū)動設(shè)備和電動工具對節(jié)能和系統(tǒng)成本的要求日益提高，傳統(tǒng)內(nèi)置位置傳感器電機(jī)正逐漸被無位置傳感器無刷直流電機(jī)(BLDC)所取代。之所以會呈現(xiàn)這一趨勢，源于使用無傳感器控制直流無刷電機(jī)時，能夠?qū)崿F(xiàn)更小的尺寸、更高的外形設(shè)計靈活性、更低的成本、以及更佳的耐熱性。

但當(dāng)無傳感器直流無刷電機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)時，通常的控制方法是無法利用感應(yīng)電壓實現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置檢測的。如果該瓶頸得以突破，那些需要平滑高速啟動、大扭矩和在啟動階段要求節(jié)能的應(yīng)用，諸如電動工具、機(jī)床、運輸設(shè)備、機(jī)器人、風(fēng)機(jī)、泵類等，就能夠在啟動階段不需要拉動過程，實現(xiàn)平滑和快速啟動，并同時獲得大扭矩和較高的電流效率。

為此，瑞薩電子在RL78/G14微控制器基礎(chǔ)之上，通過添加增強(qiáng)的電機(jī)控制功能，包括片上可編程增益放大器(PGA)/雙通道高速比較器(CMP)/電機(jī)控制輔助定時器(Timer RX)、豐富的模擬功能和紅外(IrDA)通信功能，推出了RL78/G1F微控制器。

圖1 RL78/G1F微控制器產(chǎn)品概念

RL78/G1F微控制器可以使用跟無傳感器120度傳導(dǎo)控制同樣的輸入輸出電路，包括脈寬調(diào)制輸出(PWM)電機(jī)控制輸出電路、電流檢測輸入電路以及相電壓輸入電路來控制BLDC電機(jī)，從而無需再采用傳感器或編碼器。當(dāng)電機(jī)開始啟動時, 由于靜止?fàn)顟B(tài)下加到一相的電流是可以被區(qū)分的，使得平滑和大扭矩的啟動成為可能，同時不會發(fā)生意外的反轉(zhuǎn)。這意味著，在電機(jī)速度為零時是可以檢測到轉(zhuǎn)子位置并反射到啟動控制上的。此外，它們還可以在沒有CPU干預(yù)的情況下執(zhí)行高速過流檢測和PWM強(qiáng)行輸出切斷，因此可以通過少量部件實現(xiàn)高度靈活的電機(jī)控制。

如何實現(xiàn)無傳感器初始位置檢測

利用兩種組合檢測處理步驟可以有效的檢測轉(zhuǎn)子初始位置(分辨率30°)

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步驟1:利用比較器CMP1、定時器RX和相電壓輸入電路實現(xiàn)不超過180°的位置檢測。優(yōu)勢在于輸入電流小，處理時間短。

”

轉(zhuǎn)子的位置變化會導(dǎo)致電機(jī)各相端子之間呈現(xiàn)出不同的電感。當(dāng)電壓施加在一個相端子上時，另一個相端子上的電壓會有不同的上升狀態(tài)，這被用來檢測轉(zhuǎn)子位置。因為在360度的電角度里兩個周期的變化相同，所以這個方法可以在180度的電角度范圍內(nèi)識別位置。

圖2 RL78/G1F轉(zhuǎn)子初始位置檢測步驟1電路/功能方框圖

具體做法是首先在U相上施加電源電壓，并測量V相電壓(VUV)達(dá)到門檻參考電壓(VREF1)時經(jīng)過的時間。再將VUV及VREF1相電壓檢測輸入傳送至比較器(CMP1)進(jìn)行匹配檢測，并利用Timer RX的計數(shù)器值決定當(dāng)VUV與VREF1相符的時間。Timer RX開始計數(shù)，與Timer RD的PWM輸出同步，并與CMP1同步捕獲計數(shù)值。CMP1最多可使用四個切換外部輸入進(jìn)行匹配比較。由于上述操作使用其中三個輸入，故可利用時間量測值達(dá)到可重復(fù)的結(jié)果。

在轉(zhuǎn)子的永久磁鐵磁場影響下，各相端子間電感L和定時器RX的計數(shù)值會根據(jù)轉(zhuǎn)子位置以相同的趨勢變化。通過端子之間的定時器RX計數(shù)值的大小關(guān)系，可以檢測出轉(zhuǎn)子位置，分辨率為30°。但是，考慮到這種關(guān)系會在360°范圍內(nèi)重復(fù)2個周期，因此轉(zhuǎn)子所處的那一個180°范圍會由極性判斷處理確定。

圖3 各相端子間電感和定時器的計數(shù)值會根據(jù)轉(zhuǎn)子位置變化

深度探討一下步驟1的原理，將有助于我們加深對該應(yīng)用的理解。

當(dāng)逆變器電路中所有MOSFET的狀態(tài)為OFF時，使用定時器RD的脈沖輸出，只打開其中一個高端MOSFET，結(jié)果電壓被施加到電機(jī)的一個端子上。于是，雖然電機(jī)另一端的電壓上升，但由于通向端子的電路主要來自MOSFET寄生電容，所以電壓上升具有時間常數(shù)。也就是說，電容器是由流過電機(jī)線圈的電流充電的，并且電壓根據(jù)狀態(tài)而升高。用于測量其端電壓的部分電壓被輸入到RL78/G1F的比較器CMP1的“+”側(cè)，由內(nèi)部DAC產(chǎn)生的參考電壓VREF1被設(shè)置在“-”側(cè)以通過CMP1，從電壓施加開始到該CMP1匹配的時間由定時器RX測量。

根據(jù)電機(jī)線圈的電感L開始流經(jīng)該線圈的電流受到限制，并且輸入到RL78/G1F的CMP1的電壓上升受到影響。例如，當(dāng)L大時，電壓上升變慢，定時器RX測量值增加；當(dāng)L較小時，電壓迅速上升，定時器RX測量值減小。

該測量是在三組電機(jī)端子之間的線路上進(jìn)行的，并且基于定時器RX值的比較結(jié)果，轉(zhuǎn)子位置被確定為一個電旋轉(zhuǎn)中的一對相反的60°或30°區(qū)域。

定時器RX可以使計數(shù)開始與控制MOSFET的定時器RD同步，并且可以在CMP1匹配的定時自動捕獲計數(shù)值。另外，由于CMP1可以通過切換至四個外部輸入來檢測同一單元的一致性，所以可以在電機(jī)的三組端子之間以良好的重復(fù)性執(zhí)行該測量。與定時器RD一樣，定時器RX可以在CPU的兩倍速度下執(zhí)行最大操作，因此可以以高分辨率執(zhí)行測量，并且可以檢測到微小的時間差。

“

步驟2：利用可編程增益放大器PGA、ADC 和電流檢測輸入電路進(jìn)行極性識別。相比步驟1，輸入電流較大，處理時間也較長。

”

步驟2采用的方法是電機(jī)永久磁鐵產(chǎn)生的磁通量與電流通過線圈產(chǎn)生的磁通量會導(dǎo)致線圈鐵芯材料磁飽和，從而使電流更容易流動，因此能識別永久磁鐵的磁極方向。由于此程序以電機(jī)電流作為微控制器的輸入電壓，故需要分流電阻。

圖4 RL78/G1F轉(zhuǎn)子初始位置檢測步驟2電路/功能方框圖

依據(jù)處理步驟1的結(jié)果，可識別磁鐵指向方向的相位。此步驟中，在繞組+ve(一相)及-ve(兩相)之間施加特定電流，并持續(xù)固定的時間(tCONST)。利用可編程增益放大器放大該點(電流檢測輸入)的并聯(lián)電壓，并以A/D轉(zhuǎn)換器量測當(dāng)電流從W流向U及V時的信號。接著，讓電流以反向流動相同的時間(tCONST)，并以同樣的并聯(lián)電壓量測當(dāng)電流從U及V流向W時的信號，再利用這兩個量測值間的大小關(guān)系決定永久磁鐵的磁通量方向。

線圈電流產(chǎn)生的磁通量和永久磁鐵的磁通量對線圈的芯材有影響。在下圖中，鐵心內(nèi)部的磁通量被I+方向的電流強(qiáng)化，I-方向的電流則減弱鐵心內(nèi)部的磁通量。隨著電流開始流動，電流隨著線圈電感的影響而逐漸增大，電流引起的磁通密度也相應(yīng)地增加。當(dāng)磁芯材料內(nèi)的磁通密度增加達(dá)到發(fā)生磁飽和時，線圈的電感減小并且電流變得容易流動。當(dāng)電流的方向在增加磁通時，電流的行為開始受磁飽和影響的電流值較低，在這種情況下，電流更早容易流動。即在“I+”的情況下電流比“I-”更早容易流動。這樣，電流容易流動的時刻在“I+”和“I-”之間是不同的，并且在稍微超過該時刻的瞬間，“I+”的電流值大于“I-”。然后，通過ADC測量并比較，可以確定永磁體的極性。

圖5 磁通量的顯示

我們沒有比較某個時間段之后的電流值，而是通過使用比較器CMP0和計時器比較直到電流達(dá)到發(fā)生磁飽和時的特定電流水平時間，再根據(jù)被檢測到的“I+”和“I-”差值判斷極性。

盡管僅通過對電動機(jī)的三相執(zhí)行該過程就能夠以60°的分辨率檢測轉(zhuǎn)子位置，但是這一過程比“檢測處理1”需要更長的時間和電流。通過“檢測處理1”之后，RL78/G1F能夠僅以一個相位進(jìn)行磁極方向的處理，從而高效檢測轉(zhuǎn)子初始的位置。

演示套件

在瑞薩電子提供的RL78/G1F無傳感器電機(jī)控制演示套件中，電機(jī)控制電路由“RL78/G1F CPU板卡”和“用于RX23T的24V電機(jī)控制評估系統(tǒng)”逆變器板組成，初始位置檢測和轉(zhuǎn)子控制演示由“用于RX23T的24V電機(jī)控制評估系統(tǒng)”實現(xiàn)。

圖6 RL78/G1F無傳感器電機(jī)控制演示套件

在應(yīng)用于初始位置檢測的處理1中(位置檢測不超過180°)，考慮到必須要在短時間內(nèi)捕捉到電壓變化，因此電壓測量電路中不能有用于測量的帶有電容的濾波電容器?？墒牵捎谵D(zhuǎn)動控制還需要濾波器,所以在RL78/G1F CPU板卡上增加了一個用于增加端口控制的濾波電容器電路。

而在旋轉(zhuǎn)控制演示中，針對直流無刷電機(jī)的無傳感器120度傳導(dǎo)控制，RL78/G1F支持兩種過零檢測的方法：使用A/D轉(zhuǎn)換器用于低轉(zhuǎn)速控制的非比較器法，以及使用CMP1用于高轉(zhuǎn)速控制的比較器法。在演示中，電機(jī)開始啟動時會首先執(zhí)行非比較器法，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到1500 rpm時平滑切換到比較器法，如果轉(zhuǎn)速降低到1450 rpm時，則會從比較器法切換到非比較器法。