無(wú)傳感器BLDC驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上電動(dòng)車(chē)使用的電機(jī)主要有三種：有刷電機(jī)、有位置傳感器無(wú)刷電機(jī)和無(wú)位置傳感器無(wú)刷電機(jī)。使用有刷直流電機(jī)容易解決換相問(wèn)題，但是噪音大，而且碳刷容易磨損或損壞，這會(huì)增大維護(hù)、維修難度，增加使用成本；使用有傳感器無(wú)刷直流電機(jī)容易確定轉(zhuǎn)子位置，解決換相問(wèn)題，但卻增大了電機(jī)的設(shè)計(jì)、制造和安裝難度，也增加了成本，并且傳感器容易損壞，導(dǎo)致電機(jī)的使用壽命縮短；無(wú)傳感器無(wú)刷直流電機(jī)換相雖然在技術(shù)上有難度，但在成本和壽命上更容易滿足消費(fèi)者需求。

綜合以上特點(diǎn)，本文討論的方案選擇了性價(jià)比較高的無(wú)傳感器無(wú)刷直流電機(jī)，以HT46R6?為主控芯片，用反電勢(shì)法(back electromotive force)實(shí)現(xiàn)電機(jī)正常換相，軟硬結(jié)合，使電動(dòng)車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)，從而提高產(chǎn)品的可靠性和使用壽命。

系統(tǒng)工作原理

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要由MCU、直流無(wú)刷電機(jī)、LCD液晶顯示屏、鍵盤(pán)、電源、時(shí)鐘等模塊組成。其中MCU采用臺(tái)灣Holtek公司生產(chǎn)的HT46R6?微處理器，以它作為系統(tǒng)核心，連同一些外圍硬件，并配合軟件共同控制直流無(wú)刷電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)良性能。例如通過(guò)MCU指令控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、調(diào)速、剎車(chē)或制動(dòng)等。根據(jù)電機(jī)所轉(zhuǎn)圈數(shù)計(jì)量行程，并以數(shù)字形式呈現(xiàn)在液晶屏上，通過(guò)鍵盤(pán)操作方便查看行程以及其它系統(tǒng)信息。電源模塊主要用于在不需要顯示時(shí)切斷相應(yīng)部分電路，同時(shí)保存關(guān)鍵信息，以降低系統(tǒng)功耗。

圖1：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

由圖1可以看出，本驅(qū)動(dòng)控制器的主要功能大致分為三個(gè)部分：電機(jī)部分、行程計(jì)量以及LCD顯示，本文主要圍繞無(wú)傳感器電機(jī)的換相問(wèn)題展開(kāi)。

1. 反電勢(shì)換相原理

霍爾傳感器在電機(jī)中使用廣泛，帶位置傳感器直流無(wú)刷電機(jī)就是靠霍爾傳感器來(lái)確定轉(zhuǎn)子位置，以使定子各相繞組順序?qū)▽?shí)現(xiàn)換相；而無(wú)傳感器直流無(wú)刷機(jī)則是利用電子線路代替位置傳感器(圖2)，通過(guò)檢測(cè)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)來(lái)確定轉(zhuǎn)子位置，實(shí)現(xiàn)換相，下面以星形繞組為例進(jìn)一步說(shuō)明。

圖2：用電子線路代替?zhèn)鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)框圖。

電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中要經(jīng)過(guò)6次換相，每次換相時(shí)總有一相繞組未通電，此時(shí)可以在該相繞組端口檢測(cè)到繞組產(chǎn)生的反電勢(shì)，反電勢(shì)在60°電角度內(nèi)是連續(xù)的。由于電機(jī)的規(guī)格、制造工藝有差異，導(dǎo)致相同電角度的反電勢(shì)值不同，如果要通過(guò)檢測(cè)反電勢(shì)的數(shù)值來(lái)確定轉(zhuǎn)子位置，難度非常大，因此必須找到該反電勢(shì)與轉(zhuǎn)子位置的關(guān)系，才能確定轉(zhuǎn)子位置。由圖3可知，反電勢(shì)在60°的電角度過(guò)程中總有一次經(jīng)過(guò)坐標(biāo)橫軸(過(guò)零點(diǎn))，而此處的電角度和下一次換相點(diǎn)的電角度正好相差30°，故可通過(guò)檢測(cè)反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)，再延時(shí)30°換相。本設(shè)計(jì)是從被檢測(cè)相斷電開(kāi)始計(jì)時(shí)等待反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)，再延時(shí)等待相應(yīng)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)換相。

圖3：電機(jī)運(yùn)行時(shí)各相產(chǎn)生的反電勢(shì)示意圖。

以正向反電勢(shì)檢測(cè)為例，假設(shè)之前是CB通電，測(cè)A相反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)，有過(guò)零點(diǎn)信號(hào)后等待相應(yīng)時(shí)間，由139譯碼器開(kāi)通A+，同時(shí)自動(dòng)關(guān)閉C+，就轉(zhuǎn)換成了AB通電；再測(cè)C相反電勢(shì)，用同樣的方法，開(kāi)通C-，自動(dòng)關(guān)閉B-，轉(zhuǎn)換成AC通電；再測(cè)B相反電勢(shì)，開(kāi)通B+，關(guān)閉A+，轉(zhuǎn)換成BC通電；再測(cè)A相反電勢(shì)，開(kāi)通A-，關(guān)閉C-，轉(zhuǎn)換成BA通電；接著測(cè)C相反電勢(shì)，開(kāi)通C+，關(guān)閉B+，轉(zhuǎn)換成CA通電；然后測(cè)B相反電勢(shì)，開(kāi)通B-，關(guān)閉A-，轉(zhuǎn)換成CB通電。經(jīng)過(guò)AB→AC→BC→BA→CA→CB六次換相實(shí)現(xiàn)直流無(wú)刷電機(jī)的連續(xù)正轉(zhuǎn)；同理，反電勢(shì)法經(jīng)過(guò)CA→BA→BC→AC→AB→CB六次換相可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的連續(xù)反轉(zhuǎn)。

2. 反電勢(shì)過(guò)零方案

在無(wú)位置傳感器直流無(wú)刷電機(jī)模型推導(dǎo)的基礎(chǔ)上，可以采用圖4所示的方法，對(duì)無(wú)傳感器直流無(wú)刷電機(jī)不導(dǎo)通相繞組產(chǎn)生的反電勢(shì)進(jìn)行過(guò)零檢測(cè)。圖4中的電阻R 起分壓作用，可以看出進(jìn)入比較器LM339正端的A、B、C三相電壓與過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)相(參考相)電壓明顯成兩倍關(guān)系，對(duì)于星形電機(jī)繞組，零點(diǎn)是兩相通電電壓的一半，經(jīng)過(guò)電壓比較給出零點(diǎn)信號(hào)到單片機(jī)，收到信號(hào)后再在程序中進(jìn)行換相處理，以確保電機(jī)正常運(yùn)行。LM339的出端信號(hào)就是所謂的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，相當(dāng)于傳感器信號(hào)，實(shí)質(zhì)上是發(fā)出換相通知。