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BLDC电机控制引入无传感器系统 降低成本

2017-08-13 10:00      责任编辑:丹枫    来源:www.newsijie.com    点击:
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BLDC电机控制引入无传感器系统    降低成本

        电机在我们日常生活中的几乎每个部分发挥着作用。它们驱动洗碗机和洗衣机,使室内变得凉爽,并且对于现代交通工具更是必不可少。如今,BLDC电机系统已十分常见,但是,大多数系统仍使用传感器来控制电机。为了降低BLDC系统的成本并提高可靠性,许多设计人员希望除去传感器。无传感器系统已出现相当长一段时间,但在过去,它们需要昂贵的控制器才能运行除去传感器所需的算法。数字信号控制器使无传感器BLDC电机控制得以大规模应用。

        无传感器BLDC控制依靠BLDC电机的特性来计算转子位置,并在此位置使电机在适当的时间换向。从根本上讲,BLDC电机使用励磁线圈在转子上产生平行于线圈轴线的磁场,使转子旋转并产生转矩。在三相BLDC电机中,定子中的三个线圈(或相)连续导通和关断使转子旋转并产生转矩。为使转子保持旋转,必须在转子旋转到相应位置前导通和关断相关相。因此,了解转子位置对于电机的运行至关重要,为了使BLDC电机工作,控制器必须主动导通或关断这些相。控制器必须将定子内的磁场保持在转子之前,以保持转子旋转。获取转子位置的最简单方法是使用霍尔效应传感器,它们可生成脉冲将转子位置通知给控制器。了解转子位置后,基本BLDC控制器只需查找三个相的哪种模式对应于转子位置,并将这些相切换到相应模式。

        依靠传感器的运行实现起来非常容易,但除去传感器可降低系统成本并提高可靠性。为了理解无传感器算法如何计算转子位置,我们进一步了解一下BLDC电机的三个相。

        在“梯形”控制中,在任何时刻都是一相被拉为高电平(+VBUS),一相被拉为低电平(-VBUS),第三相不活动。由于每相的波形都像梯形,“梯形”控制因此而得名。当转子经过某相时,转子上的永磁在该相感应出电流,进而产生称为反电动势(EMF)的电压。反电动势取决于每相绕组的匝数、转子的角速度以及转子永磁场的强度。每相的反电动势波形与转子位置相关,因此反电动势可用于确定转子位置。

        有许多不同方法使用反电动势确定转子位置,其中最常见和最可靠的一种是过零检测。当其中一个反电动势信号转换并过零点时,控制器需要切换相的模式。此过程称为换向。为使转子保持向前转动,在发生过零和换向之间的时间内必须进行相移,电机控制器必须计算和补偿该相移。一种实现过零的简单方法是,假设每当任一相的反电动势达到VBUS/2时就会发生过零事件。利用几个配置为比较器的运放,可轻松实现该方法。但是,该方法中存在几个问题。

        在实际电机中,过零阈值电压变化很大。幸运的是,这个变化的阈值电压等于电机中性点电压,因为电机中性点是全部三相反电动势的平均值。因此,只要任一相的反电动势等于电机的中性点,就会发生过零事件且控制器需要换向。这可以通过电阻和运放完成,或者使用控制器自身的ADC模块和软件实现。利用可编程控制器,每相的反电动势都可以使用ADC模块采样,并且利用三个反电动势信号的平均值可轻松使用软件重建中性点。随后,软件可将该值与检测到的三相的反电动势进行比较,并检测过零事件何时发生。发生过零事件后,控制器使电机换向,然后整个过程重复执行。

        在实际系统中,无传感器运行方式还会遇到其他困难。首先,在低速运行时,反电动势非常小,很难检测到。另一个问题是MOSFET的开关噪声。但是,使用可软件编程的控制器通常会使这些挑战更容易解决。

        新思界行业分析师表示,随着电子电机市场的持续增长,对BLDC电机系统的需求也将增长,且成本压力将上升,基于DSC的无传感器技术正率先满足这些新需求,解决成本挑战。

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关键字: 传感器 BLDC 电机控制