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案例分享：无位置传感器的电机控制

2019-10-14 11:49:46

2484 电机控制 BLDC 位置传感器

一、前言。
电机控制一般使用闭环控制，这就必须使用传感器，如：霍尔传感器、编码盘等。
但是有的应用场合下，难以安装霍尔传感器、编码盘，或者就算是安装好，也很容易损坏。
霍尔传感器、编码盘都属于位置传感器。
那么，无位置传感器，是否也能控制电机？
答案是可以的。
二、方案。
方案如下图所示。其中，3Phase Inverter由6个MOS管和MOS管驱动组成。
VBUS测量电机的母线电压，假设电机由直流50V供电，则测量直流50V；由交流220V供电，则测量直流310V。
IBUS测量电机总电流，可用于防过流、电流环控制。
Demand是给定的转速，用滑动电位器模拟转速的输入。
AN3、AN4、AN5引脚，用于测量电机的三相电压。

这样一来，没有了位置传感器，大大简化了设备的安装步骤。但是，会产生另外的一些问题。
电机如何启动？如何换相？如何调速？
三、硬件。
上边和下边MOS管均使用N沟道的6N60，可以耐600V高压。
MOS管驱动使用L6388ED，其内部逻辑可以防止高边和低边MOS管同时导通。有自举电容让高边MOS导通。
在单片机初始化时，要给L6388ED的自举电容充电一段时间，否则高边MOS管可能不导通，或者不完全导通。
L6388ED内部框图如图所示。LIN=1，HIN=0，则LVG导通，HVG不导通，Cboot充电。

L6388ED自举电容的容值可以由手册上的公式计算得出，我这里控制低速电机，用的是10uF。

一旦自举电容充完电手，MOS管可以在一段时间内不需要充电，一般是电机每次启动时充电。

建议使用15V给L6388ED供电，使用12V的话，可能让MOS不导通或不完全导通，如下图所示。

测量三相电压，如下图所示，NET_W是W相的电压，而W可以直接接单片机的ADC，C11为100nF电容，该电容可以平滑相电压，不能去掉，否则无法检测反电动势。U相和V相与此类似，这里不再赘述。

平滑之后的波形，呈马鞍型，如下图所示。

四、单片机算法。
该方案硬件是简单了，但是算法复杂。
该算法分三个部分，对齐转子、开环强制换相、利用反电动势闭环换相。
4.1 对齐转子。
先给自举电容充电，然后强制给某一相PWM，让转子对齐在一个固定的扇区。
这种方法在绝大多数的情况下都能对齐，若不能对齐，会启动失败，此时，重新启动即可。
对齐转子的时间不宜过长，针对本文的低速电机，对齐时间约200ms。
4.2 开环强制换相。
这里的开环是指未检测到反电动势，强制输出PWM，并且在预算好的时间换相，从而让电机转起来。
换相的方法，不同的电机可能不一样（如：极数不同），这里使用六步换相，如下图所示。

其中，+VBUS表示上桥臂给PWM，-VBUS表示下桥臂给高电平导通，斜线表示上、下桥臂均不导通。
上、下桥臂均不导通时，电机会产生反电动势。
4.3 利用反电动势闭环换相。
理想情况下，上、下桥臂均不导通时，在电机某一相电压检测到反电动势过零，但是过零时刻和实际要换相的时刻，相差30度角。所以，在检测到反电动势过零之后，要延时30度，再换相。
实际情况下，延时的30度还要根据单片机内部的ADC采样，滤波算法进行补偿，这里的补偿的角度一般是超前的。
假设超前x度，那么实际换相时刻为(30-x)度。
BEMF就是反电动势，红色箭头指向的是换相时刻，如下图所示。

但是，ADC采样的电压都是正电压，没有负，那就需要构造一个虚拟中性点。

把三相电压加起来取平均值，就是虚拟中性点。如下图所示。

把虚拟中性点当作是零点，这样就能做到过零检测。

虚拟中性点并不是一个恒定值，它的波形如下图所示，类似正弦波。

检测反电动势过零，有两种方法，一种是比较器，另一种是ADC采样后滤波。
用比较器的方法，优点是减少单片机的运算量，缺点是增加硬件成本。
用ADC采样的方法，优点是减少硬件成本，缺点是增加单片机的运算量。
由于这里需要用到的ADC采样率要求不高（20KHz SPS），所以用单片机内部集成的ADC即可。
这里采用ADC采样的方法。其滤波算法称为择多算法，在另一篇博文再详细介绍。
五、注意事项。
1、ADC要在PWM高电平的中部采样，可以避免毛刺的干扰。
2、六步换相的步调必须正确，否则无法检测反电动势。
六步换相有问题，可能不出现红圈中的竖线，也可能不出现蓝圈中的反电动势。
反电动势有问题，电机无法加速。

3、可以使用互补的PWM，也可以使用上桥臂为PWM，下桥臂为高低电平。

4、换相的波形如下图所示。

5、黄色为经过比较器后的波形（非本文使用的方法），蓝色为经过电阻分压和电容滤波后的波形。如下图所示。

经过比较器后的波形会产生三条竖线，这三条竖线是由于换相引起的，所以在换相时，不判断过零。

在不换相时，去抖，判断边沿翻转即是过零点，此方法比ADC滤波要简单一些。

6、换相时刻不正确的波形，如下图所示。

六、参考文献。

《使用反电动势滤波进行无传感器BLDC控制》

《用择多函数实现反电动势滤波的无传感器BLDC控制》

《AN1160》——MicroChip官方手册及源代码

dsPICDEM MCLV-2开发板资料——含硬件原理图

L6388ED数据手册