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1、 2008 Microchip Technology Inc.DS01175A_CN 第 1 页AN1175简介简介无刷直流电机 （BLDC）引起众多关注。与有刷 DC 电 机相比较， BLDC 电机具有以下诸多优点： 省却了机械换向器可实现更高速运行 电刷性能限制了 DC 电机的瞬态响应能力 直流电机电刷上的压降增加了电机损耗 由于电枢电抗电压导致的电刷缺陷限制了铁心长 度，从而降低了速度响应且增加了特定转矩下的电 机惯量 BLDC 电机中的发热源位于定子上，而 DC 电机的 发热源位于转子上，因此 BLDC 的散热更为容易 降低了音频噪声和电磁噪声无刷直流电机具有许多不同的种类，它们的区别
2、在于：- 定子中的相数不同 - 转子上的极数不同 - 转子和定子之间的相对位置不同 （即内转子 和外转子结构的区别）本应用笔记讨论了三相电机。 AN1178， 智能风机控 制 （DS01178A_CN）则对两相电机进行了讨论，而 单相电机则是从两相电机简化、衍生而来。背景知识背景知识对三相无刷直流电机具有的全面介绍，请参阅应用笔记 “Brushless DC Motor Control Made Easy” （DS00857） 。AN857 对无刷直流电机及如何对其实现 位置传感器反馈换相驱动进行了极佳的描述。通过采用 高性能比较器模式和一些新的软件技术，此应用笔记展 示了具有更高性能的无位置
3、传感器换相控制策略。电机控制电机控制BLDC 电机控制包括两部分。第一部分是使电机以最高 效的方式进行换相。第二部分是使电机速度控制在设定 的参数范围内。本应用笔记的目的在于展示如何在低成 本单片机上实现高性能的无位置传感器控制技术。所有 演示软件都在开环速度模式下运行。硬件硬件BLDC 系统的硬件可分解为以下部分：- 电机功率驱动器 - 使用反电势检测来检测转子位置 - 电流监测 - 单片机 - 单片机电源 - 速度设定点输入电机功率驱动器电机功率驱动器所有 BLDC 电机都需要三个半桥型驱动器。每个半桥驱 动器控制电机的一相，如图 1 所示：作者：Joseph Julicher Diete
4、r Peter Microchip Technology Inc.基于基于 PIC16 的无传感器无刷直流电机控制实现的无传感器无刷直流电机控制实现AN1175DS01175A_CN 第 2 页 2008 Microchip Technology Inc.图图 1：电机功率驱动器：电机功率驱动器RA1RA07/832415/6Q1 TPC8405 Toshiba7/832415/6Q2 TPC8405 Toshiba7/832415/6Q3 TPC8405 ToshibaUVWR1220R2220R3220U_LV_LW_LR4 220R5 220R6 220R7 R33 2010C1 47u
5、 16VQ4 BC847BQ5 BC847BQ6 BC847BR10 2201 2 3J1 DC 2.5mmD1S3A C2 100n 16VU_HV_HW_HRA0/AN0/C1IN+/ICSPDAT/ULPWU19RB7/TX/CK10RC0/AN4/C2IN+16RC1/AN5/C12IN1-15RC2/AN6/C12IN2-/P1D14RC3/AN7/C12IN3-/P1C7RC4/C2OUT/P1B6RC5/CCP1/P1A5RC6/AN8/SS8RA4/AN3/T1G/OSC2/CLKOUT3RA5/T1CKI/OSC1/CLKIN2RB4/AN10/SDI/SDA13RB5/AN
6、11/RX/DT12RB6/SCK/SCL11RA1/AN1/C12IN0-/VREF/ICSPCLK18RA3/MCLR/VPP4RA2/AN2/T0CKI/INT/C1OUT17RC7/AN9/SDO9U1PIC16F690UVWU_HV_H W_HV_L U_LW_L1 2 3 4 5 6 7 8J2MM8-FR8 47kR9 10kR11 47kR12 10kR13 47kR14 10kR15 47kR16 47kR17 47kR18 3k3V_UV_VV_WUVWUVWV_STARV_UV_VV_WV_STARR193k3Q7 BC847BR20 47k optionalC3 100
7、nMCLRR21 47kVCCMCLRVBUSR22220R23220D2 Zener 5.1VC4 100nVBUSVDDRV1 25kR24 47kVDDR2522012SW1Start/StopSpeedBUS-Voltage dividerStar-Point reconstructionOvercurrent detection1 2 3 4 5 6J3CONN-SIL6 ICD-ConnectorMCLRVDDRA0 RA1 2008 Microchip Technology Inc.DS01175A_CN 第 3 页AN1175在该示例原理图中， 采用三个P沟道MOSFET对从+
8、VCC 端流进电机每一相的电流进行控制。另外，还有三个 N 沟道MOSFET对从电机每一相流入地的电流进行控制。 在N沟道MOSFET和地之间设置有一个小电阻 （R7） ， 用来对流经电机的电流进行检测，其两端的电压与流经 该电阻的电流成正比。 三个 BJT晶体管用来驱动 P沟道 MOSFET。 N沟道MOSFET则由PIC MCU的I/O引脚进 行驱动。对于较小功率的 MOSFET 和双极型晶体管输 出级，通常不需要 MOSFET 驱动器。反电势检测反电势检测为获得转子当前位置，系统需要采用某种转子位置检测 环节。在有位置传感器的系统中，转子位置的检测是通 过一系列霍尔效应传感器来实现的，霍
9、尔效应传感器能 够感知转子永磁磁极的位置。对于无位置传感器的设 计，则是通过检测磁极何时从非导通相绕组下通过来获 取转子位置信息。在每一个换相周期中，将有一相绕组 处于不导通状态，因此可检测到转子磁极从在该绕组经 过的时刻。以下电路采用自偏置形式，且使用一个比较 器来实现反电势位置检测。图图 2：反电势检测电路：反电势检测电路注意到反电势检测电路包括四个单元，其中三个具有相 同的电路结构。这些单元的目的在于检测过零事件，即 使 VDD电压处于变化过程中。 可通过两种简单的方法来 检测正弦波反电势的中点 （过零点） 。第一种方法是对 其取反并将其与原波形进行比较。此时两波形的相交的 地方即为反电
10、势波形的中点。第二种方法是将反电势波 形幅值缩小并将其与三相中点幅值缩小后的波形进行比 较。同样两波形的交点则是反电势波形的中点。第二种 方法最为简单，因为它只需单个比较器和一些电阻。由 于电机是一个三相系统，每一个电周期存在六个过零 点，即三个上升沿过零点和三个下降沿过零点。当换相 发生时， 通过写入单片机中的CMxCON0 SFR可选择三相输入中的一相。为降低成本，通常比较器输入端没有 配置硬件滤波器，因此电机运行时造成的噪声可能导致 虚假的过零点。解决方法是采用基于软件实现的择多检 测器。为使择多检测器的实现更为简化，CMxCON0 寄 存器中的极性位在每一次换相时进行翻转，这将使得所
11、有比较器输出上的过零看似一个下降沿。电流监测电流监测在任何电机控制系统中，电流监测都是一个比较好的功 能，而对于 BLDC 电机则显得更为必要。电流监测具有 以下优点：大电流且没有出现过零点，表示转子堵转 过电流限制 转矩控制电流监测功能可通过在半桥开关单元对地回路中加入一 个小的检流电阻来实现。如果检流电阻很小，则可能需 要采用运算放大器。最简单的过电流监测器只需对单片机进行复位并重新启 动换相。图 1 中显示了该方法。电流检测电阻用来驱动 Q7的基极。 如果外部MCLR被使能， 该晶体管将导致单 片机复位。如果外部 MCLR 未被使能，则软件可进一步 对该输入进行查询，并在检测到过电流条件
12、时采取相应 的保护措施。软件软件软件将实现以下任务： 起动电机 检测过零点 定子绕组换相 调节换相频率使之与电机转速匹配电机起动电机起动电机起动是无传感器控制最需技巧的部分。最简单的方 法是通过低速率、低占空比的方式对电机进行换相从而 起动电机。换相应与转子位置保持一定关系，这样在某 一点过零检测器将能发现过零点。一旦检测到过零点， 转子将开始与换相保持同步，从而进入正常运行模式。 该方法非常简便，但存在一些问题：电机可能进行无规律旋转直到获得同步 电机可能同步于实际转速的谐波转速上 电机起动过程可能耗时较长UR8R947kV_U10kP1VR11R1247kV_V10kP2WR13R1447
13、kV_W10kP3UR1547kVR1647kWR1747kR183.3kV_STARAN1175DS01175A_CN 第 4 页 2008 Microchip Technology Inc.为克服这些缺陷，可采用其他一些方法确定转子堵转位 置并立即从该点启动换相。对于许多电机，一种简单的方法是在过零点之后延迟 相应的时间进行强迫换相，这样可以获得令人满意的 性能；本应用笔记中也采用了这一方法。过零检测器过零检测器过零检测电路应能按照不同换相序列进行同步切换以 选择不同的比较器输入，并对比较器的输出进行监控。 比较器输出使用择多检测器进行滤波。该滤波器由换相 序列表中的事件进行驱动，且在高电
14、平到低电平跳变时 进行触发。一旦检测到跳变事件，即进行换相。过零择多检测器过零择多检测器在无噪声系统中，过零事件可通过观测反电势检测比较 器的输出何时从 1 跳变到 0 来确定。 高压条件下对大电 流进行开关控制将会在系统中引入大量噪声 （见图3） 。 在这样的环境下准确确定过零事件需采用某种形式的 滤波方法来抑制噪声影响。采用分立元件构成滤波器的 方案会带来太大延迟，使其难以应用于高速电机系统。 分立的滤波器还存在温漂问题，从而导致对延迟问题的 处理复杂化。一个较好的滤波器方案是延时具有可预测 性且不受环境影响。择多滤波器可通过软件实现。软件滤波器具有固定且可 预测的延时，且不会受到环境的影
15、响。滤波器使用一系 列比较器输出采样来检测过零事件。如果前半部分采样 值中的大多数为 1 而后半部分采样值中的大多数为 0， 则认为出现了过零事件。对于 6 采样窗口，当前三次采 样值中有 2 或 3 次为 1 而后三次采样值中有 2 或 3 次为 0，这表明检测到过零事件。表 1 显示了所有满足这些 条件的可能组合。图图 3：PWM 噪声环境下的典型过零事件噪声环境下的典型过零事件 2008 Microchip Technology Inc.DS01175A_CN 第 5 页AN1175表表 1：过零事件：过零事件每一个位模式中的的最高位是这一系列中的第一个采样 值。当进行每一次新的采样时，
16、它将占据最低位而其他 所有数据位左移以腾出空间。移位后的结果是最高位被 丢失。实际上，位模式向左移到通过 6 采样窗口。当采样值通过采样窗口，择多滤波器在软件中是基于以 下原理进行实现的。考虑到采样窗口的初始位为全零。 当进行了一次逻辑高电平的采样，采样值将被左移进入 滤波器采样窗口，这样导致窗口中的全部值为 1。当进 行新的采样时，其值将移位进入窗口，并将现有的值左 移。如果采样值为 1，而其他所有后续采样为零，在它 移出和窗口值返回零之前，则窗口中的值开始为 1，随 后变为 2、4、8、16 直到最后为 32。窗口值将保持为 零直至进行另一次逻辑高电平采样。对于每一次采样， 窗口值首先加倍，随后将新采样值的逻辑电平加入窗口 值。例如，窗口值为 4 时进行的采样为逻辑高电平，则 窗口值将变为 8 加 1 为 9。在下一次采样时， 9 将通过 左移而加倍并加入新的采样值， 这样结果将是18或19， 取决于新的采样是否为逻辑高电平。初看起来，也许有人会认为择多滤波器可通过采用采样 窗口寻址查询表的方法来构建。符合择多标准的地
