基于反电动势过零检测法的无刷直流电机控制原理

只看该作者 · 2023-7-19 15:22

位置传感器的存在限制了无刷直流电机在某些特定场合中的应用，如：使电机系统的体积增大，连接导线增多，且位置传感器在高温、高压和湿度较大等恶劣工况下运行时灵敏度变差，使系统运行可靠性降低等。

依据检测原理的不同，无刷直流电机无位置传感器控制方法主要包括：反电动势法、磁链法、电感法和人工智能法等。其中，反电动势法是目前技术最成熟、应用最广泛的一种位置检测方法。

反电势过零检测法的原理
根据法拉第电磁感应定律和楞次定律，转子旋转的时候会在定子绕组中产生感应电势，该感应电势的方向与绕组的电压相反，极性与励磁电压相反，故一般称为反电动势或反电势。

当转子在0角度时，A相反电动势过零点，再延后30度时，HALL 传感器检测到边沿信号，此时需要换相，即在30度时，AB绕组通电，开始检测C相绕组反电动势。

当转子位置60度时，C相反电动势过零点，再延后30度，HALL传感器检测到C相边沿信号，此时需要换相。以此类推，反电动势的检测总是在第三相未通电的绕组上进行，然后在延迟30度进行换相。

对比三相反电动势和三相绕组导通情况，6个反电动势过零点事件都是发生在未导通悬空相的绕组上，而所有的换相点都滞后相应的反电动势过零点30°电角度。反电动势过零点信号再延迟30°电角度，可得到6个离散的转子位置信号。

无刷直流电机绕组的反电动势过零点严格地反映了转子磁极的位置，当BLDC的某相绕组反电动势过零时，转子直轴与该相绕组交轴恰好重合，因此，只要能够准确的检测到绕组反电势的过零点信号，就可以判断出转子的关键位置。理论上，理想的换相点滞后反电动势过零点30°电角度，这样就能够实现无刷直流电机的换相操作，保证电机按照固定的方向连续旋转，从而保证了电机达到最大输出转矩，减小转矩脉动。

BLDC的反电动势大小取决于以下因素：转子角速度、转子磁体产生的磁场，定子绕组的匝数和气隙。电机设计完成后，转子磁场，定子绕组的匝数和气隙都是固定的，随着转子转速的提高，反电动势也随之增加。

BLDC在静止或低速时反电势为零或很小，无法用来判断转子位置，因此需要采用特殊的启动技术来进行启动，常用“三段式”自启动方法。

反电势过零检测实现方法
1.ADC检测法检测反电动势

AD检测法是一种软件计算反电动势过零点的方法，通过电压采样电路直接检测BLDC的三相端电压，然后通过软件方法，计算悬空相反电动势过零点。

为了使三相电压信号MOTOR_U/ MOTOR_V/ MOTOR_W落在MCU片上ADC模块的采样范围，对其进行电阻分压处理，再将分压后获得的AD_VOLTAGE_U/ AD_VOLTAGE_V/AD_VOLTAGE_W信号直接送入ADC的采样引脚进行处理。

ADC检测法需要在每个控制周期内采集母线电压，以确定理论中性点电压，并将其与悬空相的端电压进行比较，从而获得反电动势过零点，在检测到反电动势过零之后，延时30°电角度即可进行换相操作。

2.硬件比较器法

采用硬件比较器获取过零点的方法：通过悬空相反电动势（ PHASE_U/V/W ）与虚拟中性点电压（MITTLE）比较得到过零点。这种方法不需要考虑在哪个时刻进行过零采样，只需实时检测硬件比较后的I/O状态，即可判断换相时刻。

虚拟中性点计算电路如下图

图中，MOTOR_U，MOTOR_V，MOTOR_W分别接电机的A，B，C相，经过一个分压网络后分别得到PHASE_U，PHASE_V，PHASE_W三个信号并连接到ADC通道引脚。MITTLE为虚拟的估测后的中点电压，只要在AB通电期间开通MOTOR_W和MITTLE的比较，AC通电期间开通MOTOR_V和MITTLE的比较，BC通电期间开通MOTOR_U和MITTLE的比较，就可以成功检测出各相的过零点。