霍爾效應(yīng)傳感器式替代反電動勢的方法

霍爾效應(yīng)傳感器式替代反電動勢的

方法無刷直流(BLDC)電機(jī)變得越來越流行，原因不言自明，因?yàn)槭褂脗鹘y(tǒng)電機(jī)時(shí)始終會有電刷磨損，更換為電子控制器后將會大大提升設(shè)備的的可靠性。而且在保持同等功率輸出的情況下，BLDC電機(jī)可以做得更小、更輕，特別適合空間受限型應(yīng)用。由于BLDC電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子之間不存在機(jī)械和電接觸，因此需要替代方法來指示零部件的相對位置，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制。BLDC電機(jī)使用兩種方式之一來實(shí)現(xiàn)此目的，即采用霍爾傳感器或測量反電動勢。廢除傳感器BLDC電機(jī)去掉了組成傳統(tǒng)裝置機(jī)械換向器的磨損零件(改進(jìn)了可靠性)止匕外，31口。電機(jī)具有高扭矩/電機(jī)尺寸比率，快速動態(tài)響應(yīng)能力，且?guī)谉o工作噪聲。BLDC電機(jī)歸類為同步設(shè)備，因?yàn)檗D(zhuǎn)子和定子的磁場頻率相同。定子由鋼片組成，軸向開槽以便沿著內(nèi)部圓柱面容納奇數(shù)個(gè)的繞組。轉(zhuǎn)子采用永久磁體制造，具有兩到八個(gè)N-S磁極對。BLDC電機(jī)的電子換向器順次激勵定子線圈，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電磁場，從而“拖拽”圍繞它的轉(zhuǎn)子。通過確保線圈在正確的時(shí)間獲得精確地激勵來實(shí)現(xiàn)有效運(yùn)轉(zhuǎn)。傳感器很有用，但會增加成本，增加復(fù)雜性（由于需要附加繞組），并降低了可靠性（部分原因是傳感器連接更容易受到灰塵和潮濕環(huán)境的污染）。無傳感器控制方式解決了這些不足。利用反電動勢電機(jī)的繞組切過磁力線時(shí)就象一個(gè)發(fā)電機(jī)。此時(shí)會在繞組中產(chǎn)生電勢，以電壓表示，稱作電動勢（EMF）。按照倫茨定律，這一電動勢會產(chǎn)生二次磁場，對抗驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn)的磁通量的原始變化。簡而言之，這種電動勢會阻礙電機(jī)自然運(yùn)動，因而稱之為“反”電動勢。在既定電機(jī)磁通量和繞組數(shù)固定的情況下，電動勢的幅度與電機(jī)的角速度成正比。BLDC電機(jī)制造商指定了一個(gè)稱“作反電動勢常數(shù)”的參數(shù)，用來估計(jì)既定速度的反電動勢。通過從供應(yīng)電壓中減去反電動勢即可計(jì)算出繞組上的電勢。電機(jī)是這樣設(shè)計(jì)的，當(dāng)它們以額定速度運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，反電動勢和供應(yīng)電壓間的電勢差將會引起電機(jī)消耗額定電流并輸出額定扭矩。驅(qū)動電機(jī)超出額定速度時(shí)會大幅增加反電動勢，從而降低了繞組的電勢差，反過來減少了電流并降低了扭矩。更快地推動電機(jī)仍會引起反電動勢（加上電機(jī)損耗）完全等于供應(yīng)電壓——此時(shí)，電流和扭矩都將為零。因?yàn)榉措妱觿輹档碗姍C(jī)扭矩，這有時(shí)是一種劣勢，但對于BLDC電機(jī)，工程師卻可以將這種現(xiàn)象轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)勢。三相BLDC電機(jī)變換序列的各個(gè)階段是通過正向激勵一個(gè)繞組、反向激勵第二個(gè)繞組，然后讓第三個(gè)繞組開路來實(shí)現(xiàn)的。圖1顯示了此類電機(jī)的第一個(gè)六階段換向序列的簡化示意圖。Hi一出「一Hi一出「一BC圖1：針對BLDC電機(jī)的第一個(gè)六階段電循環(huán)線圈A正向激勵，線圈B為開路，C反向激勵（Microchip提供）。使用霍爾傳感器的BLDC電機(jī)使用受MCU控制并通過驅(qū)動器操作的設(shè)備產(chǎn)生的輸出，來切換絕緣柵雙極晶體管（IGBT）或金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）以正常順序激勵線圈。當(dāng)霍爾傳感器輸出變化狀態(tài)時(shí)，這些晶體管就會觸發(fā)（同時(shí)線圈會被激勵）。［BLDC電機(jī)的無傳感器變型電機(jī)，則無霍爾效應(yīng)傳感器。相反，當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，三個(gè)線圈中的反向電動勢會以梯形（長虛線）方式變化，如圖2所示。為便于比較，同一圖中也顯示了類似配置電機(jī)的霍爾傳感器的輸出。圖2：三相BLDC電機(jī)的霍爾傳感器輸出與反電動勢之比較注意，霍爾傳感器的切換方式與跨過無傳感器電機(jī)中零點(diǎn)時(shí)相應(yīng)線圈的反電動勢是一致的（Microchip提供）。所有三個(gè)零交叉點(diǎn)的組合用來決定線圈的激勵序列。注意，傳統(tǒng)BLDC電機(jī)中單個(gè)霍爾傳感器變化輸出，與無傳感器電機(jī)中單個(gè)線圈的反電動勢零交叉點(diǎn)之間有一個(gè)30度的相位差。因此，在檢測到零交叉點(diǎn)之后，我們會在無傳感器電機(jī)電路的固件中內(nèi)置一個(gè)30度相位延遲，然后再激活激勵序列中的下一個(gè)動作。圖2中，短虛線表示線圈中的電流。圖3顯示了無傳感器三相BLDC電機(jī)的一個(gè)控制電路。在這種情況下，該電路使用了MicrochipPIC18FXX318位MCU來產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制(PWM)輸出，以觸發(fā)三相逆變器橋中的IGBT或MOSFET。該MCU對來自反電動勢零交檢測電路的輸入作出反應(yīng)。圖3：無傳感器三相BLDC電機(jī)的控制電路(Microchip提供)。檢測反電動勢的方法有多種技術(shù)來測量反電動勢。最簡單的方法就是用比較器將反電動勢與一半的直流總線電壓比較。圖4a顯示了這樣一個(gè)系統(tǒng)的示意圖。在圖示情況下，比較器連接到線圈B,完整的系統(tǒng)每個(gè)線圈都應(yīng)該連接有一個(gè)比較器。在此圖中，線圈A正向激勵，線圈C反向激勵，而線圈B則開路。當(dāng)實(shí)現(xiàn)此相位的激勵序列時(shí)，反電動勢就會上升和下降。這一簡單比較器方法主要缺點(diǎn)就是三個(gè)繞組可能沒有相同的特征，造成實(shí)際零交叉點(diǎn)的正負(fù)相移。電機(jī)仍可能在運(yùn)轉(zhuǎn)，但可能消耗過多電流。解決方法就是通過使用與電機(jī)繞組并接的三個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)來產(chǎn)生一個(gè)虛擬中性點(diǎn)（如圖4b所示）。反電動勢然后就會與虛擬中性點(diǎn)進(jìn)行比較。第三種方法是采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）（如圖4c）。為BLDC電機(jī)控制提供的許多MCU包括適合作此用途的高速ADC。采用這種方法后，反電動勢就會衰減，以便可以直接饋送給MCU。信號被ADC采樣后就會同與零點(diǎn)對應(yīng)的數(shù)字值比較。當(dāng)這兩個(gè)值匹配時(shí)，線圈激勵序列就會變址到下一步。這種技術(shù)具有一定優(yōu)勢，如允許使用數(shù)字濾波器來清除反電動勢信號中的高頻切換成份。2

圖4a：測量反電動勢的簡單比較器電路（Microchip提供）。圖4b：通過實(shí)施虛擬中性點(diǎn)可以改進(jìn)簡單比較器電路（Microchip提供）。電油電油EMF圖4c：信號被ADC采樣后就會同與零點(diǎn)對應(yīng)的數(shù)字值比較（Microchip提供）。無傳感器BLDC電機(jī)控制有一大不足，就是當(dāng)電機(jī)靜止時(shí)，不會產(chǎn)生反電動勢，這樣MCU就無法知道定子和轉(zhuǎn)子位置信息。解決方法就是通過以預(yù)定序列激勵線圈來啟動處于開環(huán)配置的電機(jī)。當(dāng)電機(jī)看似運(yùn)轉(zhuǎn)效率不高時(shí)，就會開始循環(huán)該序列。最終，速度將足以產(chǎn)生足夠的反電動勢，供控制系統(tǒng)切換到正常閉環(huán)運(yùn)行狀態(tài)（有效狀態(tài)）。由于反電機(jī)勢與旋轉(zhuǎn)速度成正比，因此在需要較低速度的應(yīng)用中，無傳感器BLDC電機(jī)可能不是一個(gè)好的選擇。此時(shí)帶有霍爾效應(yīng)傳感器的BLDC電機(jī)可能是更好的選擇。無傳感器BLDC電機(jī)控制系統(tǒng)無傳感器BLDC電機(jī)的不斷流行，促使半導(dǎo)體廠商們開發(fā)專門針對此類裝置控制和驅(qū)動的專用芯片。典型的電機(jī)控制系統(tǒng)由一個(gè)MCU加上一個(gè)IGBT（或MOSFET）驅(qū)動器組成。有許多MCU可供無傳感器BLDC電機(jī)使用，范圍覆蓋低成本的8位器件到較高性能的16位和32位器件，全部只需要最少的外設(shè)器件就可以驅(qū)動電機(jī)。這些外設(shè)包括三相PWM、ADC和用于過流保護(hù)的比較器。3Zilog提供Z16FMC系列16位MCU用于無傳感器BLDC電機(jī)控制。據(jù)該公司所稱，任務(wù)要求MCU具有快速響應(yīng)能力來實(shí)時(shí)處理PWM更新。Z16FMC能夠在ADC和定時(shí)器之間以及比較器與PWM輸出之間提供自動互操作。圖5顯示了Zilog電機(jī)控制MCU的框圖。

3/6MultiOwnrwiPWMTimerepotvveo&ResetGontr（Qn<hipDebugger32KBFb$hController4ChannelD*Llnted-Uit3/6MultiOwnrwiPWMTimerepotvveo&ResetGontr（Qn<hipDebugger32KBFb$hController4ChannelD*Llnted-UitInterruptCorttjdler圖5：ZilogZ16FMC電機(jī)控制MCU框圖。MicrochipPIC18F2431也是用于無傳感器BLDC電機(jī)控制的常用MCU。該芯片使用8位處理器并可工作在多達(dá)16MIPS的指令速度下。PIC18F系列的變型器件將三相電機(jī)控制PWM外設(shè)與多達(dá)八個(gè)輸出和10或12位ADC綜合在一起。TexasInstruments(TI)為其零件提供了一個(gè)用于三相BLDC裝置的電機(jī)控制評估套件。。按照該公司所述，DRV8312-C2-KIT（圖6）-基于DRV8312PWM電機(jī)驅(qū)動器-就是一種無傳感器磁場定向控制（FOC）和傳感器/無傳感器梯形變換平臺，從而加速開發(fā)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速上市。應(yīng)用包括次50V和7A無刷電機(jī)，用于驅(qū)動醫(yī)用泵、門、電梯和小型泵以及工業(yè)和消費(fèi)機(jī)器人與自動化設(shè)備。圖6：TI的三相BLDC電機(jī)評估套件基于DRV8312PWM電機(jī)驅(qū)動器。應(yīng)用廣泛無傳感器BLDC電機(jī)更簡單，相比使用霍爾效應(yīng)傳感器的電機(jī)潛在可靠性更高，當(dāng)應(yīng)用用于骯臟、潮濕的環(huán)境時(shí)，尤為如此。這些電機(jī)依賴反電機(jī)勢測量結(jié)果來確定定子和轉(zhuǎn)子的相對位置，以便實(shí)現(xiàn)正確的線圈激勵序列。一個(gè)不足之處就是，當(dāng)電機(jī)靜止時(shí)，沒有產(chǎn)生反向電動勢，因此啟動時(shí)是受開環(huán)操作影響的。因此，電機(jī)需要花上較短的時(shí)間來解決問題然后才能有效運(yùn)轉(zhuǎn)。第二個(gè)不足