S12MagniV 汽车无传感器BLDC电机控制解决方案

BLDC无位置传感器控制技术2014.11.12duguqiubai1234@BLDC电机是一种结合了直流电机和交流电机优点的改进型电机。

其转子采用永磁材料励磁，体积小、重量轻、结构简单、维护方便。

BLDC电机又具有控制简便、高效节能等一系列优点，已广泛应用于仪表和家用电器等领域。

本文主要讨论高压BLDC风机无位置传感器起动和运行技术。

一、无位置传感器技术简介BLDC电机最简单的控制方法是安装三个位置传感器，使用六步换相法控制。

但传感器器会增大电机的体积和成本，另外传感器的位置精度影响电机的运行；特别对于极对数较多的电机，传感器偏差少许机械角度也可能引起电角度偏差很多。

在某些恶劣环境下,如高温、潮湿、腐蚀性气体等环境，传感器易损坏，因而无法使用。

使用无位置传感器方式则可以克服上述缺点。

无传感器BLDC在性能上也存在一些不足:（1）难以实现重负载（例如额定转矩）起动。

好在风机属于轻负载起动的情况。

（2）难以快速起动。

例如很难实现1秒内从静止加速到全速。

好在风机通常不要求很短时间内完成加速。

（3）无法实现全速范围内任意调速。

有传感器BLDC能够实现0%～100%额定转速范围内的调速，而无传感器BLDC通常只能实现10%～100%额定转速范围内的调速。

好在风机通常不要求10%额定转速以下运行。

经过以上分析，可以看出风机非常适合使用无位置传感器方式控制。

国内高压无位置传感器BLDC技术仍处于不成熟阶段。

使用该技术的产品应以稳定可靠为主要要求，而不是以性能优越为主要要求。

高压无传感器BLDC如果追求性能优越，则成本太高，技术难度过大。

风机类产品通常起动后连续工作时间较长，所以通常不要求快速起动，不也要求反复起停。

风机类产品10%以下额定转速将造成风量过小，所以通常也不会要求10%额定转速以下运行。

无传感器BLDC起动时需要锁定转子、外同步加速（开环加速）等过程，所以起动较慢；起动过快易造成失败，所以通常不宜要求无传感器BLDC做快速起动。

无传感器BLDC驱动控制系统的设计近年来，国内市场上电动车使用的电机主要有三种：有刷电机、有位置传感器无刷电机和无位置传感器无刷电机。

使用有刷直流电机容易解决换相问题，但是噪音大，而且碳刷容易磨损或损坏，这会增大维护、维修难度，增加使用成本；使用有传感器无刷直流电机容易确定转子位置，解决换相问题，但却增大了电机的设计、制造和安装难度，也增加了成本，并且传感器容易损坏，导致电机的使用寿命缩短；无传感器无刷直流电机换相虽然在技术上有难度，但在成本和寿命上更容易满足消费者需求。

综合以上特点，本文讨论的方案选择了性价比较高的无传感器无刷直流电机，以HT46R6?为主控芯片，用反电势法(back electromotive force)实现电机正常换相，软硬结合，使电动车驱动系统工作在最佳状态，从而提高产品的可靠性和使用寿命。

系统工作原理控制系统结构框图如图1所示，主要由MCU、直流无刷电机、LCD液晶显示屏、键盘、电源、时钟等模块组成。

其中MCU采用台湾Holtek公司生产的HT46R6?微处理器，以它作为系统核心，连同一些外围硬件，并配合软件共同控制直流无刷电机，从而实现该驱动系统的优良性能。

例如通过MCU指令控制电机的正反转、调速、刹车或制动等。

根据电机所转圈数计量行程，并以数字形式呈现在液晶屏上，通过键盘操作方便查看行程以及其它系统信息。

电源模块主要用于在不需要显示时切断相应部分电路，同时保存关键信息，以降低系统功耗。

图1：驱动系统结构框图。

由图1可以看出，本驱动控制器的主要功能大致分为三个部分：电机部分、行程计量以及LCD显示，本文主要围绕无传感器电机的换相问题展开。

1. 反电势换相原理霍尔传感器在电机中使用广泛，带位置传感器直流无刷电机就是靠霍尔传感器来确定转子位置，以使定子各相绕组顺序导通实现换相；而无传感器直流无刷机则是利用电子线路代替位置传感器(图2)，通过检测电机在运行过程中产生的反电势过零点来确定转子位置，实现换相，下面以星形绕组为例进一步说明。

D 驱动控制r i v e a n d c o n t r o l 微特电机 2006年第2期 无位置传感器能量回馈控制新方法30　收稿日期:2004-09-14无位置传感器B LDC M 能量回馈控制新方法谢宝昌(上海交通大学,上海200030)A NovelM ethod on Regenera ti n g Con trol of Positi on Sen sorless Brushless DC M otorX IE B ao -chang(Shanghai J iaot ong University,Shanghai 200030,China ) 摘　要:为了简化无刷直流电动机结构、减小成本和提高可靠性,且能实现能量的双向流动,介绍了一种新的无位置传感器能量回馈控制方法。

该方法首先设计二阶阻容滤波电路和数字滤波器检测三相绕组端点电压和绕组电流,然后根据电机数学模型计算出无三倍次谐波的反电势信号,从而估算电机转速、判断转向和等电势点,确定正确换相时刻和逻辑,实现无位置传感器控制。

最后根据电机的可逆原理提出了一种简单可靠的高、低压蓄电池实现能量回馈的不可控整流方法。

关键词:无刷直流电动机电机;无位置传感器控制;等电势点;形状函数;能量回馈;可充电蓄电池中图分类号:T M 33 文献标识码:A 文章编号:1004-7018(2006)02-0030-04Abstract:I n order t o si m p lify structure,l ower cost and raise reliability of brushless DC mot or (BLDC M )and t o i m p le 2ment bidirecti onal trans m issi on of electric energy bet w een supp ly and ar mature windings,a novel method on regenerating contr ol of positi on sens orless BLDC M is p r oposed in this paper .The method p resents t o detect three -phase ter m inal voltages and sense ar mature winding’s currents via t w o -order RC anal og filter and corres ponding digital filter res pectively .Thus,back E MFs without tri p le har monics are calculated according t o mathe matical model of BLDC M.Further more,the r otating directi on,s peed and equi potential points are evaluated and the correct commuta 2ti on instants and l ogic signals are deter m ined .Finally,accord 2ing t o reversal p rinci p le of electric machines,a si m p le,reliable and uncontr ollable rectifier which regenerates electric energy fr om BLDC M t o high and /or l ow voltage batteries is als o intr o 2duced in this paper .Keywords:BLDC M;positi on sens orless contr ol;equi poten 2tial points;shape functi on;energy regenerati on;rechargeable bat 2tery1引　言传统直流电动机控制性能好但存在机械换向器,体积庞大且易产生换向火花、电磁干扰和需要定期维护电刷,因此不适用于恶劣环境。

无刷无霍尔BLCD电机控制•1.概述无霍尔的BLDC控制方案与有霍尔BLDC的基本原理相似，都是用所谓“六步换向法”，根据转子当前的位置，按照一定的顺序给定子绕组通电使BLDC电机转动。

所不同的是无霍尔BLDC不需要霍尔效应传感器，通过检测定子绕组的反电动势过零点来判断转子当前的位置。

与有霍尔的方案相比，最明显的优点就是降低了成本、减小了体积。

且电机引线从8根变为3根，使接线调试都大为简化。

另外，霍尔传感器容易受温度和磁场等外界环境的影响，故障率较高。

因此，无霍尔BLDC得到越来越多的应用，在很多场合正逐步取代有霍尔BLDC。

本文介绍三相BLDC电机的无霍尔控制理论。

根据特定的应用场合，具体的实现方法会有所不同。

2 .BLDC电机结构及驱动方式简介一个简单的BLDC的构造如图1所示。

电机外层是定子，包含电机绕组。

多数BLDC都有三个Y型连接的绕组，这些绕组中的每一个都是由许多线圈互连组成的。

电机内部是转子，由围绕电机圆周的磁性相反的磁极组成。

图1显示了仅带有两个磁极（南北磁极）的转子，在实际应用中，大多数电机的转子具有多对磁极。

图1BLCD基本结构BLDC电机驱动电路的基本模型如图2所示。

通过开关管Q0~Q5来控制电机三相绕组的通电状态，开关管可以为IGBT或者功率MOS管。

其中位于上方即与电源正端连接的开关管称为“上桥”，下方即与电源负端连接的开关管称为“下桥”。

图2BLCD电机驱动电路基本模型例如，若Q1、Q4打开，其它开关管都关闭，则电流从电源正端经Q1、A相绕组、C相绕组、Q4流回电源负端。

流过A、C相定子绕组的电流会产生一个磁场，由右手定则可知其方向与B相绕组平行。

由于转子是永磁体，在磁场力的作用下会向著与定子磁场平行的方向旋转，即转到与B相绕组平行的位置，使转子的北磁极与定子磁场的南磁极对齐。

类似地，打开不同的上、下桥臂MOS管组合，就可控制电流的流向，产生不同方向的磁场，使永磁体转子转到指定的位置。

无刷直流BLDC电机控制解决方案无刷直流(BLDC)电机正迅速成为要求高可靠性，高效率和高功率体积比的应用的自然选择。

这些电机在很宽的速度范围内提供大量的扭矩，并且与有刷电机具有相似的扭矩和速度性能曲线特性(尽管有刷电机可提供更大的静止扭矩)。

BLDC电机由于消除了传统直流电机换向时使用的电刷而具有显着的可靠性。

刷子磨损，降低了电机的性能，最终必须更换。

相反，在额定参数范围内运行时，BLDC 电机的预期寿命可超过10，000小时或更长。

与传统装置相比，这种寿命以及随后的维护和备件成本的降低可以抵消电机的较高初始成本。

BLDC电机正在进入最具成本意识的应用领域。

例如，在汽车领域，BLDC电机的使用正在飙升。

汽车制造商尤其被电机在机械工作中转换电能的效率所吸引，这有助于降低对车辆电力系统的需求(图1)。

根据分析师IMS的研究，到2018年，6亿只BLDC电机将用于内燃机驱动的轻型车辆，而2011年则为2亿只。

(BLDC电机的大型版本在电动和混合动力汽车中已经很常见。

)图1：BLDC电机，如用于水泵的这种装置，正在取代汽车应用中的传统电机(Melexis提供)。

BLDC电机的这种兴趣促使芯片供应商为该单元的电子控制系统开发定制的单片芯片。

本文将详细介绍BLDC 电机控制芯片- 用于驱动逆变桥的设备，最终激活电机线圈并控制速度和方向等参数。

减少霍尔传感器故障飞兆半导体公司拥有BLDC电机控制的悠久历史，最近推出的FCM8201芯片仍在继续。

该器件专为感应BLDC 电机控制而设计。

(传感电机需要霍尔效应传感器来指示线圈位置以辅助电子换向序列)。

FCM8201的关键技术进步是它可以选择脉冲宽度调制(PWM)模式。

有两种PWM模式可供选择：正弦波模式和方波模式。

方波模式包括PWM-PWM和PWM-ON技术，可提高电机驱动效率。

Fairchild解释说，该器件还内置霍尔信号调节电路，可为每个传感器信号输入产生3至6μs的“去抖”时间。

120°方波无传感器BLDC电机控制器1、概述本应用笔记介绍了如何使用“端电压法”来实现120°方波无传感器BLDC电机控制器的设计。

采用“端电压法”来检测无传感器BLDC电机转子的位置，具有电路简单和程序算法简单的优点，系统响应速度快。

端电压的过零点就是电机的换相点，与构建电机虚拟中性点的检测方式相比，无需软件延时30°电角度，降低了软件编写的难度。

本设计中采用C8051F330的片上比较器来检查BLDC电机端电压的过零点，从而获得转子的位置。

针对不同的无传感器BLDC电机，在此设计的基础上适当地修改一些参数，都能很好地满足对BLDC驱动的要求。

C8051F330是美国芯科实验室设计的一款高速51内核的MCU，它是传统51 MCU的改良产品，完全兼容传统51 MCU。

C8051F330指令运行的峰值高达25MHZ，具有20个引脚，8K flash，768RAM，3个PCA模块，4个16位定时器，16通道10位ADC，AD转换速度高达200ksps，1通道10位DAC，1个片上比较器和1个片上温度传感器，以及丰富的通信接口：I2C、SPI和UART，QFN20小封装。

所需硬件●SMC0901开发板（见图4）●航模BLDC电机：D2632-1000（12VDC，4对极，额定带载转速5800RPM）●12V DC电源图4 SMC0901开发板该方案能实现的功能●无传感器BLDC电机120°方波驱动●正反转控制●调速范围：2000RPM ~ 6500RPM（机械转速），精度≤2%●PID转速闭环控制●比较器法检测电机端电压过零点●保护功能：过流保护、堵转保护和缺相保护●出现故障后立即进入保护状态，3秒后进入自恢复起动，重新开始运行（堵转和缺相情况除外）该方案优势：●采用“端电压法”，使用MCU内置的比较器检测端电压过零点，效率更高，成本更低，能很好地适应比较高速的无传感器BLDC电机调速系统●自动相位控制，完全由硬件自动完成，无需软件干预●参数调整简单，以适应不同的无传感器BLDC电机系统●能提供软、硬件参考设计●适用于泵类和风机类负载的应用2、系统介绍1）“端电压法”A) U、V、W三相的理想相电压波形图如图1、图2、图3所示：B) U、W两相电压合成的波形图如图5所示。

無霍爾BLDC電機控制1 概述無霍爾的BLDC控制方案與有霍爾BLDC的基本原理相似，都是用所謂“六步換向法”，根據轉子當前的位置，按照一定的順序給定子繞組通電使BLDC 電機轉動。

所不同的是無霍爾BLDC不需要霍爾效應傳感器，通過檢測定子繞組的反電動勢過零點來判斷轉子當前的位置。

與有霍爾的方案相比，最明顯的優點就是降低了成本、減小了體積。

且電機引線從8根變為3根，使接線調試都大為簡化。

另外，霍爾傳感器容易受溫度和磁場等外界環境的影響，故障率較高。

因此，無霍爾BLDC得到越來越多的應用，在很多場合正逐步取代有霍爾BLDC。

本文介紹三相BLDC電機的無霍爾控制理論。

根據特定的應用場合，具體的實現方法會有所不同。

2 BLDC電機結構及驅動方式簡介一個簡單的BLDC的構造如圖1所示。

電機外層是定子，包含電機繞組。

多數BLDC都有三個Y型連接的繞組，這些繞組中的每一個都是由許多線圈互連組成的。

電機內部是轉子，由圍繞電機圓周的磁性相反的磁極組成。

圖1顯示了僅帶有兩個磁極（南北磁極）的轉子，在實際應用中，大多數電機的轉子具有多對磁極。

圖 1 BLDC基本結構[1]BLDC電機驅動電路的基本模型如圖2所示。

通過開關管Q0~Q5來控制電機三相繞組的通電狀態，開關管可以為IGBT或者功率MOS管。

其中位於上方即與電源正端連接的開關管稱為“上橋”，下方即與電源負端連接的開關管稱為“下橋”。

圖 2 BLDC電機驅動電路基本模型[2]例如，若Q1、Q4打開，其它開關管都關閉，則電流從電源正端經Q1、A 相繞組、C相繞組、Q4流回電源負端。

流過A、C相定子繞組的電流會產生一個磁場，由右手定則可知其方向與B相繞組平行。

由於轉子是永磁體，在磁場力的作用下會向著與定子磁場平行的方向旋轉，即轉到與B相繞組平行的位置，使轉子的北磁極與定子磁場的南磁極對齊。

類似地，打開不同的上、下橋臂MOS管組合，就可控制電流的流向，產生不同方向的磁場，使永磁體轉子轉到指定的位置。