GD32創(chuàng)新反電動(dòng)勢(shì)采樣方案，助力高效控制BLDC電機(jī)

0   引言

電機(jī)（Electric machinery，俗稱“馬達(dá)”）是指依據(jù)電磁感應(yīng)定律實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置，用來(lái)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩作為電器或各種機(jī)械的動(dòng)力源。目前通常使用微控制器（MCU）對(duì)電機(jī)的啟停及轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。本文介紹了基于兆易創(chuàng)新（GigaDevice）公司GD32 MCU 的一種創(chuàng)新型高精度反電動(dòng)勢(shì)電壓采樣方案，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、智能制造、消費(fèi)電子、家用電器、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高效電機(jī)控制。

圖1 有刷直流電機(jī)

1   電機(jī)控制概況

按照工作電源的不同，電機(jī)可分為直流電機(jī)和交流電機(jī)。其中，直流電機(jī)又可分為有刷直流電機(jī)和無(wú)刷直流電機(jī)。

1.1 有刷和無(wú)刷直流電機(jī)的區(qū)別

●   有刷直流電機(jī)（圖1）：機(jī)械換向，磁極不動(dòng)，線圈旋轉(zhuǎn)。內(nèi)部含有碳刷，起到換向作用。碳刷不斷

磨損，會(huì)造成一定損耗，并且需要定時(shí)更換碳刷。

●   無(wú)刷直流電機(jī)（圖2）：電子換向，線圈不動(dòng)，磁極轉(zhuǎn)動(dòng)。通常用霍爾元件感應(yīng)永磁體位置，進(jìn)而控制電流的方向，達(dá)到換向作用。

無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）相比較有刷直流電機(jī)（DC），以電子換向器取代了機(jī)械換向器，克服了有刷直流電機(jī)的維護(hù)困難、易產(chǎn)生干擾等先天性缺陷。

因此無(wú)刷直流電機(jī)既有直流電機(jī)良好的調(diào)速性能等特點(diǎn)，又有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)換向火花、運(yùn)行可靠和易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 無(wú)刷直流電機(jī)

1.2 BLDC電機(jī)控制方法

無(wú)刷直流電機(jī)屬于自換流型（自我方向轉(zhuǎn)換），因此控制起來(lái)更加復(fù)雜，需要了解電機(jī)進(jìn)行整流轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)子位置和機(jī)制。許多不同的控制算法都被用以提供對(duì)于BLDC 電機(jī)的控制。一般將功率晶體管用作線性穩(wěn)壓器來(lái)控制電機(jī)電壓。但當(dāng)驅(qū)動(dòng)高功率電機(jī)時(shí)，這種方法并不實(shí)用。高功率電機(jī)必須通過(guò)MCU 提供PWM 信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)起停和速度功率控制。

控制算法必須提供下列三項(xiàng)功能：

●   用于控制電機(jī)速度的PWM 電壓；

●   用于對(duì)電機(jī)進(jìn)整流換向的機(jī)制；

●   利用反電動(dòng)勢(shì)或霍爾傳感器來(lái)預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)子位置的方法。

脈沖寬度調(diào)制用于將可變電壓應(yīng)用到電機(jī)繞組來(lái)控制電機(jī)的速度和可變轉(zhuǎn)矩，有效電壓與PWM 占空度成正比。功率晶體管的換向?qū)崿F(xiàn)了定子中的適當(dāng)繞組，可根據(jù)轉(zhuǎn)子位置生成最佳的轉(zhuǎn)矩。在一個(gè)BLDC電機(jī)中，MCU 必須知道轉(zhuǎn)子的位置并能夠在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間進(jìn)行整流換向。

無(wú)刷直流電機(jī)的電子換向器可以分為傳感器型和無(wú)傳感器型，無(wú)傳感器型的電子換向器在體積和成本上都更具優(yōu)勢(shì)。目前的無(wú)傳感器型的無(wú)刷直流電機(jī)的控制方法主要是通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）或者比較器采集電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)信號(hào)。雖然模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集反電動(dòng)勢(shì)的方法算法比較復(fù)雜，但由于很多MCU內(nèi)部都集成有模數(shù)轉(zhuǎn)換器，對(duì)于三相電機(jī)來(lái)說(shuō)，可以節(jié)省三個(gè)比較器，從而節(jié)省體積和成本。模數(shù)轉(zhuǎn)換器需要在特定的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行采樣，然后通過(guò)軟件與零點(diǎn)進(jìn)行比較，從而獲得無(wú)刷直流電機(jī)的換相時(shí)刻，以預(yù)測(cè)無(wú)刷直流電機(jī)的下一次換相時(shí)刻。無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)如圖3 所示。

圖3 無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)框圖

在現(xiàn)有技術(shù)中，由于場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）具有開(kāi)關(guān)噪聲，因此無(wú)刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)在高電平和低電平之間進(jìn)行切換時(shí)，其波形往往具有較大的波動(dòng)，從而會(huì)導(dǎo)致反電動(dòng)勢(shì)的采樣結(jié)果不準(zhǔn)確，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致電機(jī)無(wú)法正常工作。因此，亟需對(duì)現(xiàn)有的無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)及控制方法進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，以解決上述問(wèn)題。

2   GD32電機(jī)控制方案介紹

為了解決場(chǎng)效應(yīng)晶體管狀態(tài)改變時(shí)產(chǎn)生噪聲的問(wèn)題，我們基于兆易創(chuàng)新公司GD32 MCU 系列產(chǎn)品，提供了一種無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)及無(wú)刷直流電機(jī)的控制方法。利用驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比不同大小，選取不同采樣點(diǎn)，從而得到準(zhǔn)確的反電動(dòng)勢(shì)電壓，可大幅提高電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2.1 在預(yù)定時(shí)刻對(duì)反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行采樣

在驅(qū)動(dòng)電路的每個(gè)上橋臂的工作階段內(nèi)，預(yù)定時(shí)刻設(shè)置于驅(qū)動(dòng)信號(hào)的高電平階段，且臨近該高電平階段的下降邊沿，或設(shè)置于驅(qū)動(dòng)信號(hào)的低電平階段且臨近該低電平階段的上升邊沿，從而可以避免場(chǎng)效應(yīng)晶體管的開(kāi)關(guān)噪聲對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣造成的影響。

2.2 判斷占空比，選擇采樣點(diǎn)

當(dāng)占空比低于50% 時(shí)，在MOS 管關(guān)閉期間進(jìn)行采樣；當(dāng)占空比高于50% 時(shí)，在MOS 管打開(kāi)期間進(jìn)行采樣，并將采樣點(diǎn)由中間點(diǎn)改為MOS管狀態(tài)改變前。

因?yàn)樵隍?qū)動(dòng)電路中的場(chǎng)效應(yīng)晶體管打開(kāi)時(shí)，電壓采樣單元的采樣電壓是反電動(dòng)勢(shì)疊加了1/2 的母線電壓（即驅(qū)動(dòng)電路電源電壓）后的電壓，因此比較單元將采樣結(jié)果與1/2 的母線電壓進(jìn)行比較。若相鄰的兩個(gè)采樣結(jié)果的電壓從低于1/2 母線電壓變?yōu)楦哂?/2母線電壓或者從高于1/2 母線電壓到低于1/2 母線電壓，則是反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)了。當(dāng)在驅(qū)動(dòng)電路中的場(chǎng)效應(yīng)晶體管關(guān)斷時(shí)，電壓采樣單元的采樣電壓是單純的反電動(dòng)勢(shì)，反電動(dòng)勢(shì)本身根據(jù)轉(zhuǎn)子位置變化會(huì)由負(fù)變正，或者由正變負(fù)。但由于驅(qū)動(dòng)電路上場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的反向二極管的影響，負(fù)的反電動(dòng)勢(shì)會(huì)被拉到接近0 V，因此在場(chǎng)效應(yīng)晶體管關(guān)閉期間采集的反電動(dòng)勢(shì)后與0 進(jìn)行比較，若相鄰的兩個(gè)采樣結(jié)果的電壓從0 V變正或從正變0 V時(shí)，則是反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)了（如圖4）。

圖4 方案采樣點(diǎn)示意圖

通過(guò)該方法，在占空比比較低的時(shí)候，高電平時(shí)間比較短但低電平時(shí)間長(zhǎng)，在低電平期間采樣可以有足夠的時(shí)間避開(kāi)MOS 的關(guān)閉時(shí)的噪聲。同樣的，在占空比高M(jìn)OS 管打開(kāi)時(shí)采樣也可以避開(kāi)MOS 管打開(kāi)時(shí)的噪聲。因此，不論占空比高低都可以得到準(zhǔn)確的反電動(dòng)勢(shì)電壓，從而為MCU計(jì)算BLDC 電機(jī)換相時(shí)間提供精確的反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)。

精確的反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)可為BLDC 在許多領(lǐng)域發(fā)揮出色的優(yōu)勢(shì)。精度增加可使電機(jī)功率損耗更少、控制精確度更高，讓終端用戶更好的使用BLDC 操作。本方案可廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、儀器儀表、醫(yī)療、消費(fèi)電子、汽車等需要高精度電機(jī)控制領(lǐng)域。

（注：本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2021年第1期。）