霍爾效應傳感器式替代反電動勢的方法

霍爾效應傳感器式替代反電動勢的方法

電子設計 發表於 2019-01-25 08:08:00

無刷直流 （BLDC） 電機變得越來越流行，原因不言自明，因為使用傳統電機時始終會有電刷磨損，更換為電子控制器後將會大大提升設備的的可靠性。 而且在保持同等功率輸出的情況下，BLDC 電機可以做得更小、更輕，特別適合空間受限型應用。

由於 BLDC 電機的轉子和定子之間不存在機械和電接觸，因此需要替代方法來指示零部件的相對位置，從而實現電機控制。 BLDC 電機使用兩種方式之一來實現此目的，即採用霍爾傳感器或測量反電動勢。

廢除傳感器

BLDC 電機去掉了組成傳統裝置機械換向器的磨損零件（改進了可靠性） 此外，BLDC 電機具有高扭矩/電機尺寸比率，快速動態響應能力，且幾無工作噪聲。

BLDC 電機歸類為同步設備，因為轉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部圓柱面容納奇數個的繞組。 轉子採用永久磁體製造，具有兩到八個 N-S 磁極對。

BLDC 電機的電子換向器順次激勵定子線圈，產生旋轉電磁場，從而「拖拽」圍繞它的轉子。 通過確保線圈在正確的時間獲得精確地激勵來實現有效運轉。

傳感器很有用，但會增加成本，增加複雜性（由於需要附加繞組），並降低了可靠性（部分原因是傳感器連接更容易受到灰塵和潮溼環境的汙染）。 無傳感器控制方式解決了這些不足。

利用反電動勢

電機的繞組切過磁力線時就象一個發電機。 此時會在繞組中產生電勢，以電壓表示，稱作電動勢 （EMF）。 按照倫茨定律，這一電動勢會產生二次磁場，對抗驅動電機旋轉的磁通量的原始變化。 簡而言之 ，這種電動勢會阻礙電機自然運動，因而稱之為「反」電動勢。 在既定電機磁通量和繞組數固定的情況下，電動勢的幅度與電機的角速度成正比。

BLDC 電機製造商指定了一個稱「作反電動勢常數」的參數，用來估計既定速度的反電動勢。 通過從供應電壓中減去反電動勢即可計算出繞組上的電勢。 電機是這樣設計的，當它們以額定速度運轉時，反電動勢和供應電壓間的電勢差將會引起電機消耗額定電流並輸出額定扭矩。

驅動電機超出額定速度時會大幅增加反電動勢，從而降低了繞組的電勢差，反過來減少了電流並降低了扭矩。 更快地推動電機仍會引起反電動勢（加上電機損耗）完全等於供應電壓——此時，電流和扭矩都將為零。

因為反電動勢會降低電機扭矩，這有時是一種劣勢，但對於 BLDC 電機，工程師卻可以將這種現象轉變為優勢。

三相 BLDC 電機變換序列的各個階段是通過正向激勵一個繞組、反向激勵第二個繞組，然後讓第三個繞組開路來實現的。 圖 1 顯示了此類電機的第一個六階段換向序列的簡化示意圖。

圖 1： 針對 BLDC 電機的第一個六階段電循環 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 電機使用受 MCU 控制並通過驅動器操作的設備產生的輸出，來切換絕緣柵雙極電晶體 （IGBT） 或金屬氧化物半導體場效應電晶體 （MOSFET） 以正常順序激勵線圈。 當霍爾傳感器輸出變化狀態時，這些電晶體就會觸發（同時線圈會被激勵）。¹

BLDC 電機的無傳感器變型電機，則無霍爾效應傳感器。 相反，當電機旋轉時，三個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。 為便於比較，同一圖中也顯示了類似配置電機的霍爾傳感器的輸出。

圖 2： 三相 BLDC 電機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中零點時相應線圈的反電動勢是一致的（Microchip 提供）。

所有三個零交叉點的組合用來決定線圈的激勵序列。 注意，傳統 BLDC 電機中單個霍爾傳感器變化輸出，與無傳感器電機中單個線圈的反電動勢零交叉點之間有一個 30 度的相位差。 因此，在檢測到零交叉點之後，我們會在無傳感器電機電路的固件中內置一個 30 度相位延遲，然後再激活激勵序列中的下一個動作。 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 電機的一個控制電路。 在這種情況下，該電路使用了 Microchip PIC18FXX31 8 位 MCU 來產生脈衝寬度調製 （PWM） 輸出，以觸發三相逆變器橋中的 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。

圖 3：無傳感器三相 BLDC 電機的控制電路（Microchip 提供）。

檢測反電動勢的方法

有多種技術來測量反電動勢。 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 顯示了這樣一個系統的示意圖。 在圖示情況下，比較器連接到線圈 B，完整的系統每個線圈都應該連接有一個比較器。 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。 當實現此相位的激勵序列時，反電動勢就會上升和下降。

這一簡單比較器方法主要缺點就是三個繞組可能沒有相同的特徵，造成實際零交叉點的正負相移。 電機仍可能在運轉，但可能消耗過多電流。

解決方法就是通過使用與電機繞組並接的三個電阻網絡來產生一個虛擬中性點（如圖 4b 所示）。 反電動勢然後就會與虛擬中性點進行比較。

第三種方法是採用模數轉換器 （ADC）（如圖 4c）。 為 BLDC 電機控制提供的許多 MCU 包括適合作此用途的高速 ADC。 採用這種方法後，反電動勢就會衰減，以便可以直接饋送給 MCU。 信號被 ADC 採樣後就會同與零點對應的數字值比較。 當這兩個值匹配時，線圈激勵序列就會變址到下一步。 這種技術具有一定優勢，如允許使用數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：通過實施虛擬中性點可以改進簡單比較器電路（Microchip 提供）。

圖 4c：信號被 ADC 採樣後就會同與零點對應的數字值比較（Microchip 提供）。

無傳感器 BLDC 電機控制有一大不足，就是當電機靜止時，不會產生反電動勢，這樣 MCU 就無法知道定子和轉子位置信息。

解決方法就是通過以預定序列激勵線圈來啟動處於開環配置的電機。 當電機看似運轉效率不高時，就會開始循環該序列。 最終，速度將足以產生足夠的反電動勢，供控制系統切換到正常閉環運行狀態（有效狀態）。

由於反電機勢與旋轉速度成正比，因此在需要較低速度的應用中，無傳感器 BLDC 電機可能不是一個好的選擇。 此時帶有霍爾效應傳感器的 BLDC 電機可能是更好的選擇。

無傳感器 BLDC 電機控制系統

無傳感器 BLDC 電機的不斷流行，促使半導體廠商們開發專門針對此類裝置控制和驅動的專用晶片。 典型的電機控制系統由一個 MCU 加上一個 IGBT（或 MOSFET）驅動器組成。

有許多 MCU 可供無傳感器 BLDC 電機使用，範圍覆蓋低成本的 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器件就可以驅動電機。 這些外設包括三相 PWM、ADC 和用於過流保護的比較器。³

Zilog 提供 Z16FMC 系列 16 位 MCU 用於無傳感器 BLDC 電機控制。 據該公司所稱，任務要求 MCU 具有快速響應能力來實時處理 PWM 更新。 Z16FMC 能夠在 ADC 和定時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 電機控制 MCU 的框圖。

圖 5：Zilog Z16FMC 電機控制 MCU 框圖。

Microchip PIC18F2431 也是用於無傳感器 BLDC 電機控制的常用 MCU。 該晶片使用 8 位處理器並可工作在多達 16 MIPS 的指令速度下。 PIC18F 系列的變型器件將三相電機控制 PWM 外設與多達八個輸出和 10 或 12 位 ADC 綜合在一起。

Texas Instruments （TI） 為其零件提供了一個用於三相 BLDC 裝置的電機控制評估套件。。 按照該公司所述，DRV8312-C2-KIT（圖 6）– 基於 DRV8312 PWM 電機驅動器– 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，實現產品快速上市。 應用包括次 50 V 和 7 A 無刷電機，用於驅動醫用泵、門、電梯和小型泵以及工業和消費機器人與自動化設備。

圖 6：TI 的三相 BLDC 電機評估套件基於 DRV8312 PWM 電機驅動器。

應用廣泛

無傳感器 BLDC 電機更簡單，相比使用霍爾效應傳感器的電機潛在可靠性更高，當應用用於骯髒、潮溼的環境時，尤為如此。 這些電機依賴反電機勢測量結果來確定定子和轉子的相對位置，以便實現正確的線圈激勵序列。

一個不足之處就是，當電機靜止時，沒有產生反向電動勢，因此啟動時是受開環操作影響的。 因此，電機需要花上較短的時間來解決問題然後才能有效運轉。 第二個不足是，在速度較低時，此時反電機勢很小而難以測量，會造成工作效率不高。 在此類應用中應考慮使用配備傳感器的 BLDC 電機。

但對於眾多的其它應用來說，工程師仍可以利用小巧而強大的無傳感器 BLDC 電機。 使用專用為此類任務設計的 MCU 和 IGBT（或 MOSFET）驅動器晶片可簡化設計過程。 各大廠商通過評估套件提供針對成熟無傳感器 BLDC 電機解決方案的參考電路，利用這些評估套件可以進一步改進開發過程。

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