霍爾效應傳感器式替代反電動勢的

方法無刷直流(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，更換為電子控制器后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。由于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，即采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)止匕外，31口。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。轉子采用永久磁體制造，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，增加復雜性（由于需要附加繞組），并降低了可靠性（部分原因是傳感器連接更容易受到灰塵和潮濕環境的污染）。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電機制造商指定了一個稱“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并輸出額定扭矩。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，反過來減少了電流并降低了扭矩。更快地推動電機仍會引起反電動勢（加上電機損耗）完全等于供應電壓——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，但對于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，然后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。Hi一出「一Hi一出「一BC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控制并通過驅動器操作的設備產生的輸出，來切換絕緣柵雙極晶體管（IGBT）或金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）以正常順序激勵線圈。當霍爾傳感器輸出變化狀態時，這些晶體管就會觸發（同時線圈會被激勵）。［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。為便于比較，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后，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，然后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MicrochipPIC18FXX318位MCU來產生脈沖寬度調制(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征，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并接的三個電阻網絡來產生一個虛擬中性點（如圖4b所示）。反電動勢然后就會與虛擬中性點進行比較。第三種方法是采用模數轉換器（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。采用這種方法后，反電動勢就會衰減，以便可以直接饋送給MCU。信號被ADC采樣后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）。電油電油EMF圖4c：信號被ADC采樣后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于開環配置的電機。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）。由于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芯片。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，范圍覆蓋低成本的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和用于過流保護的比較器。3Zilog提供Z16FMC系列16位MCU用于無傳感器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。

3/6MultiOwnrwiPWMTimerepotvveo&ResetGontr（Qn<hipDebugger32KBFb$hController4ChannelD*Llnted-Uit3/6MultiOwnrwiPWMTimerepotvveo&ResetGontr（Qn<hipDebugger32KBFb$hController4ChannelD*Llnted-UitInterruptCorttjdler圖5：ZilogZ16FMC電機控制MCU框圖。MicrochipPIC18F2431也是用于無傳感器BLDC電機控制的常用MCU。該芯片使用8位處理器并可工作在多達16MIPS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。TexasInstruments(TI)為其零件提供了一個用于三相BLDC裝置的電機控制評估套件。。按照該公司所述，DRV8312-C2-KIT（圖6）-基于DRV8312PWM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50V和7A無刷電機，用于驅動醫用泵、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電機評估套件基于DRV8312PWM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，當應用用于骯臟、潮濕的環境時，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后才能有效運轉。第二個不足