无刷电机控制如何采集反电动势

在无刷直流电机（BLDC电机）控制中，反电动势（Back Electromotive Force，简称 BEMF）是非常重要的参数，通常用于估算电机的速度、位置以及进行无传感器（sensorless）控制。反电动势是电机旋转时，定子磁场与转子磁场相互作用产生的电压。由于电机的反电动势是与转速相关的，它可以帮助控制器推算电机的实际运行状态。

无刷电机控制中常用的两种方法来采集反电动势信号：通过电机的相电压直接测量和通过估算（算法推算）反电动势。

通过电机相电压直接测量反电动势
反电动势本质上是在电机的每个绕组（相）上感应出的电压。在BLDC电机中，通常有三相绕组（U、V、W），并且这三相绕组的电流和反电动势是相互关联的。通过适当的测量方法，可以直接从电机的相电压中提取反电动势。

测量方法：
开关控制方式：无刷电机通常通过电子开关（例如MOSFET）来切换每相电流的流向。在没有电流流过的情况下，当电机运转时，电机各相会产生反电动势。
三相电压测量：可以通过测量电机各相的电压（尤其是处于开关关断状态下的电压）来计算反电动势。
在每个周期内，控制器会选择一个相电流不导通（即关闭对应的MOSFET），然后通过测量该相电压来估算反电动势的大小和方向。
使用两相电压差（比如V-U和V-W之间的电压差）可以估算反电动势。
具体实现：
控制器通过电压传感器（比如运算放大器或高精度模拟数字转换器）监测电机各相的电压。
当电流被切断时，电机各相电压近似为反电动势，可以通过测量这些电压并与预期模型（如正弦波形）进行对比，来推算电机的旋转情况。
如果控制器是基于无传感器控制（sensorless control），则通过测量反电动势来估算电机的转速和位置。

通过反电动势估算转速和位置（无传感器控制）
反电动势是与电机的转速成正比的，因此在无刷电机的无传感器控制中，控制器可以利用反电动势来估算电机的转速。

工作原理：
估算转速：反电动势的幅度与转速成正比，因此通过测量反电动势的幅值，可以间接估算电机的转速。通常在电机的每相反电动势波形中进行采样，控制器通过算法计算转速。

估算位置：在无刷电机中，由于转子的位置对反电动势的波形有影响（反电动势波形随着转子的旋转而变化），通过测量反电动势波形的变化，可以推算出转子的相对位置。这在无传感器控制中非常重要，通常采用以下两种方式：

高频注入法：通过在电机绕组上注入高频信号，测量反电动势的响应来推算位置。控制器通过对反电动势的分析，判断转子的角度和位置。
反电动势波形分析法：利用反电动势的三相波形变化（通常为正弦波或近似正弦波）来推算转子的电气位置，进而计算机械位置。

反电动势的计算和滤波
反电动势通常是通过模拟信号（电压）来获取的，但由于噪声和电机特性（如不对称的磁场，负载变化等），需要对反电动势信号进行滤波处理，以获得更准确的估算值。常见的滤波方法包括：

低通滤波器：用于消除高频噪声和振动，使反电动势波形更加平滑。
卡尔曼滤波器：用于在有噪声的环境中更准确地估算转速和位置，尤其在传感器噪声较大时非常有效。

控制策略（Sensorless Control）
无传感器控制是利用反电动势进行电机位置和速度估算的一种常见方法。常见的控制策略包括：

FOC（Field Oriented Control）：场定向控制方法通过精确控制定子电流的方向来控制转矩，反电动势的测量用于实时估算转速和位置。
FOC和反电动势结合：结合电流控制和反电动势信号，精确控制电机的运行状态，无需位置传感器即可实现高效控制。

反电动势的应用
无传感器启动：电机启动时，通常通过反电动势估算转速，确保电机能够平稳启动。
速度和位置控制：反电动势提供了转速和位置的估算信息，这对于精确的速度和位置控制至关重要，尤其是在没有位置传感器时。
效率优化：反电动势的采集可以帮助控制器调整输入电压和电流，以提高电机效率，减少功率损耗。

采集反电动势是实现无刷直流电机无传感器控制（sensorless control）的关键步骤。可以通过直接测量电机各相的电压来得到反电动势，并通过算法分析推算电机的转速和位置。对于高效、精确的控制，常常结合低通滤波、卡尔曼滤波等方法进行信号处理和估算。
你会利用反电动势来控制电机吗

(1) 浮置相法（Back-EMF Zero Crossing）
方法：在三相电机的控制中，通常会在某一时刻有一个绕组未通电（称为浮置相）。采集此浮置相的电压，即为反电动势信号。
硬件要求：
需要使用一个分压电路或运算放大器将浮置相的电压调整到适合ADC采样的范围。
需要一个与控制逻辑同步的检测电路来确定反电动势的零交点（Zero Crossing）。
优点：简单，易于实现。
缺点：仅适合梯形波控制电机；高速和低速运行时信号易受噪声干扰。
(2) 中点电压基准法
方法：将电机的中点（虚拟中点或真实中点）作为参考基准，测量浮置相电压相对于中点电压的变化。
硬件要求：
需要中点电压采样电路。
浮置相电压的精确采样和滤波电路。
优点：信号更稳定，适合较宽的转速范围。
缺点：增加了硬件复杂度。
(3) 直接差分采样法
方法：直接对相线之间的电压进行差分采样，分析其中的反电动势分量。
硬件要求：
差分放大器或高精度运算放大器。
滤波电路用于去除PWM噪声。
优点：更适合正弦波驱动的电机控制。
缺点：难以设计，特别是在高频PWM干扰下。
(4) 滤波与同步整流采样
方法：通过滤波器（如低通滤波器）去除PWM调制噪声，同时利用控制器的同步信号（PWM通断时间）精确采样反电动势。
硬件要求：
需要高带宽ADC或专用采样电路。
对滤波电路的响应速度要求较高。
优点：采样精度高，适合高速运行。
缺点：设计复杂，硬件成本较高。

wahahaheihei 发表于 2024-11-21 11:51
(1) 浮置相法（Back-EMF Zero Crossing）
方法：在三相电机的控制中，通常会在某一时刻有一个绕组未通电（ ...

请问一下第四种方法的，采样启动时间点应该设置在哪里比较好呢？