電機在我們日常生活中的幾乎每個(gè)部分發(fā)揮著(zhù)作用。它們驅動(dòng)洗碗機和洗衣機，使室內變得涼爽，并且對于現代交通工具更是必不可少。無(wú)刷直流 (BLDC)電機已成為許多勻速或變速的高可靠性中高檔系統的選擇。借助幾個(gè)霍爾效應傳感器和一個(gè)控制器，BLDC電機變得相對容易控制。如今，BLDC 電機系統已十分常見(jiàn)，但是，大多數系統仍使用傳感器來(lái)控制電機。為了降低BLDC系統的成本并提高可靠性，許多設計人員希望除去傳感器。無(wú)傳感器系統已出現相當長(cháng)一段時(shí)間，但在過(guò)去，它們需要昂貴的控制器才能運行除去傳感器所需的算法。數字信號控制器(DSC)(例如 Microchip 的dsPIC33FJ15MC102，批量訂購時(shí)，單價(jià)僅約1美元)使無(wú)傳感器BLDC電機控制得以大規模應用。

無(wú)傳感器BLDC控制依靠BLDC電機的特性來(lái)計算轉子位置，并在此位置使電機在適當的時(shí)間換向。為了解釋其工作原理，我們回頭看一下BLDC 電機本身以及基本的傳感器控制。從根本上講，BLDC電機使用勵磁線(xiàn)圈(稱(chēng)為定子)在轉子(或軸)上產(chǎn)生平行于線(xiàn)圈軸線(xiàn)的磁場(chǎng)，使轉子旋轉并產(chǎn)生轉矩。在三相BLDC電機中，定子中的三個(gè)線(xiàn)圈(或相)連續導通和關(guān)斷使轉子旋轉并產(chǎn)生轉矩。為使轉子保持旋轉，必須在轉子旋轉到相應位置前導通和關(guān)斷相關(guān)相。為了使轉子平穩旋轉，構成電機的每個(gè)繞組或相都可由多組線(xiàn)圈組成。每相都必須按特定順序導通和關(guān)斷才能使轉子旋轉。轉子的位置決定了哪相需要導通或關(guān)斷。因此，了解轉子位置對于電機的運行至關(guān)重要，為了使BLDC電機工作，控制器必須主動(dòng)導通或關(guān)斷這些相�？刂破鞅仨殞⒍ㄗ觾鹊拇艌�(chǎng)保持在轉子之前，以保持轉子旋轉。獲取轉子位置的最簡(jiǎn)單方法是使用霍爾效應傳感器，它們可生成脈沖將轉子位置通知給控制器。了解轉子位置后，基本BLDC控制器只需查找三個(gè)相的哪種模式對應于轉子位置，并將這些相切換到相應模式。

依靠傳感器的運行實(shí)現起來(lái)非常容易，但除去傳感器可降低系統成本并提高可靠性。為了理解無(wú)傳感器算法如何計算轉子位置，我們進(jìn)一步了解一下BLDC電機的三個(gè)相。

在“梯形”控制中，在任何時(shí)刻都是一相被拉為高電平(+VBUS)，一相被拉為低電平(-VBUS)，第三相不活動(dòng)。由于每相的波形都像梯形 (見(jiàn)圖1)，“梯形”控制因此而得名。當轉子經(jīng)過(guò)某相時(shí)，轉子上的永磁在該相感應出電流，進(jìn)而產(chǎn)生稱(chēng)為反電動(dòng)勢(EMF)的電壓。反電動(dòng)勢取決于每相繞組的匝數、轉子的角速度以及轉子永磁場(chǎng)的強度。每相的反電動(dòng)勢波形與轉子位置相關(guān)，因此反電動(dòng)勢可用于確定轉子位置。

有許多不同方法使用反電動(dòng)勢確定轉子位置，其中最常見(jiàn)和最可靠的一種是過(guò)零檢測。當其中一個(gè)反電動(dòng)勢信號轉換并過(guò)零點(diǎn)時(shí)，控制器需要切換相的模式。此過(guò)程稱(chēng)為換向(見(jiàn)圖2)。為使轉子保持向前轉動(dòng)，在發(fā)生過(guò)零和換向之間的時(shí)間內必須進(jìn)行相移，電機控制器必須計算和補償該相移。一種實(shí)現過(guò)零的簡(jiǎn)單方法是，假設每當任一相的反電動(dòng)勢達到VBUS/2時(shí)就會(huì )發(fā)生過(guò)零事件。

利用幾個(gè)配置為比較器的運放，可輕松實(shí)現該方法。但是，該方法中存在幾個(gè)問(wèn)題。首先，反電動(dòng)勢通常小于VBUS，因此過(guò)零事件不一定發(fā)生在 VBUS/2。此外，每相的特性可能不同，因此一個(gè)相的過(guò)零反電動(dòng)勢電壓可能與其他相的過(guò)零反電動(dòng)勢電壓不同。最后，這個(gè)過(guò)于簡(jiǎn)單的檢測方法會(huì )導致檢測的反電動(dòng)勢信號出現正負相移。

在實(shí)際電機中，過(guò)零閾值電壓變化很大。幸運的是，這個(gè)變化的閾值電壓等于電機中性點(diǎn)電壓，因為電機中性點(diǎn)是全部三相反電動(dòng)勢的平均值。因此，只要任一相的反電動(dòng)勢等于電機的中性點(diǎn)，就會(huì )發(fā)生過(guò)零事件且控制器需要換向。這可以通過(guò)電阻和運放完成，或者使用控制器自身的ADC模塊和軟件實(shí)現。利用可編程控制器(如dsPIC系列DSC)，每相的反電動(dòng)勢都可以使用ADC模塊采樣，并且利用三個(gè)反電動(dòng)勢信號的平均值可輕松使用軟件重建中性點(diǎn)。隨后，軟件可將該值與檢測到的三相的反電動(dòng)勢進(jìn)行比較，并檢測過(guò)零事件何時(shí)發(fā)生。發(fā)生過(guò)零事件后，控制器使電機換向，然后整個(gè)過(guò)程重復執行。因此，通過(guò)使用電機的反電動(dòng)勢和檢測過(guò)零，可從系統中除去傳感器，同時(shí)保持相同的性能水平。

在實(shí)際系統中，無(wú)傳感器運行方式還會(huì )遇到其他困難。首先，在低速運行時(shí)，反電動(dòng)勢非常小，很難檢測到。因此，在電機開(kāi)始快速旋轉，快到產(chǎn)生足夠大的反電動(dòng)勢以在無(wú)傳感器模式下運行前，控制器必須猜測轉子位置�？绍浖�編程的控制器使系統啟動(dòng)方式可根據特定應用進(jìn)行調整，從而減少此問(wèn)題的影響。另一個(gè)問(wèn)題是MOSFET的開(kāi)關(guān)噪聲。由于MOSFET通過(guò)開(kāi)關(guān)操作來(lái)更改每相的電壓，這會(huì )將噪聲引入到由控制器ADC模塊檢測的反電動(dòng)勢中。需要過(guò)濾掉這種噪聲，以精確重建每相的反電動(dòng)勢。DSC的處理器內建DSP引擎，可輕松處理實(shí)現數字濾波和消除開(kāi)關(guān)噪聲所需的計算。其他挑戰來(lái)自特定設計的特性。但是，使用可軟件編程的控制器通常會(huì )使這些挑戰更容易解決，就像本文提及的兩個(gè)問(wèn)題的解決方案一樣。

通過(guò)示例進(jìn)行研究和實(shí)驗使得學(xué)習新技術(shù)更為容易。專(zhuān)為無(wú)傳感器BLDC控制定制的開(kāi)發(fā)工具大大簡(jiǎn)化了學(xué)習過(guò)程并加快了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。過(guò)去，利用開(kāi)發(fā)工具學(xué)習需要付出昂貴的金錢(qián)和時(shí)間成本。市場(chǎng)上的新工具正在改變這一局面。例如Microchip的電機控制入門(mén)工具包，其成本低于100美元，而且包括詳細的應用筆記、示例軟件和硬件原理圖(見(jiàn)圖3)。電機控制器供應商(包括Microchip)通常會(huì )在其網(wǎng)站上提供免費的軟件和硬件文件，使學(xué)習過(guò)程更輕松。

總之，隨著(zhù)電子電機市場(chǎng)的持續增長(cháng)，對BLDC電機系統的需求也將增長(cháng)，且成本壓力將上升，基于DSC的無(wú)傳感器技術(shù)正率先滿(mǎn)足這些新需求，解決成本挑戰。