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霍尔效应传感器式替代反电动势的方法

时间:2019-01-25 14:08:19来源:网络 作者:admin 点击:
无刷直流 (BLDC) 电机变得越来越流行,原因不言自明,因为使用传统电机时始终会有电刷磨损,更换为电子控制器后将会大大提升设备的的可靠性。 而且在保持同等功率输出的情

图 3:无传感器三相 BLDC 电机的控制电路(Microchip 提供)。

检测反电动势的方法

有多种技术来测量反电动势。 最简单的方法就是用比较器将反电动势与一半的直流总线电压比较。 图 4a 显示了这样一个系统的示意图。 在图示情况下,比较器连接到线圈 B,完整的系统每个线圈都应该连接有一个比较器。 在此图中,线圈 A 正向激励,线圈 C 反向激励,而线圈 B 则开路。 当实现此相位的激励序列时,反电动势就会上升和下降。

这一简单比较器方法主要缺点就是三个绕组可能没有相同的特征,造成实际零交叉点的正负相移。 电机仍可能在运转,但可能消耗过多电流。

解决方法就是通过使用与电机绕组并接的三个电阻网络来产生一个虚拟中性点(如图 4b 所示)。 反电动势然后就会与虚拟中性点进行比较。

第三种方法是采用模数转换器 (ADC)(如图 4c)。 为 BLDC 电机控制提供的许多 MCU 包括适合作此用途的高速 ADC。 采用这种方法后,反电动势就会衰减,以便可以直接馈送给 MCU。 信号被 ADC 采样后就会同与零点对应的数字值比较。 当这两个值匹配时,线圈激励序列就会变址到下一步。 这种技术具有一定优势,如允许使用数字滤波器来清除反电动势信号中的高频切换成份。²

霍尔效应传感器式替代反电动势的方法

图 4a:测量反电动势的简单比较器电路(Microchip 提供)。

霍尔效应传感器式替代反电动势的方法

图 4b:通过实施虚拟中性点可以改进简单比较器电路(Microchip 提供)。

霍尔效应传感器式替代反电动势的方法

图 4c:信号被 ADC 采样后就会同与零点对应的数字值比较(Microchip 提供)。

无传感器 BLDC 电机控制有一大不足,就是当电机静止时,不会产生反电动势,这样 MCU 就无法知道定子和转子位置信息。

解决方法就是通过以预定序列激励线圈来启动处于开环配置的电机。 当电机看似运转效率不高时,就会开始循环该序列。 最终,速度将足以产生足够的反电动势,供控制系统切换到正常闭环运行状态(有效状态)。

由于反电机势与旋转速度成正比,因此在需要较低速度的应用中,无传感器 BLDC 电机可能不是一个好的选择。 此时带有霍尔效应传感器的 BLDC 电机可能是更好的选择。

无传感器 BLDC 电机控制系统

无传感器 BLDC 电机的不断流行,促使半导体厂商们开发专门针对此类装置控制和驱动的专用芯片。 典型的电机控制系统由一个 MCU 加上一个 IGBT(或 MOSFET)驱动器组成。

有许多 MCU 可供无传感器 BLDC 电机使用,范围覆盖低成本的 8 位器件到较高性能的 16 位和 32 位器件,全部只需要最少的外设器件就可以驱动电机。 这些外设包括三相 PWM、ADC 和用于过流保护的比较器。³

Zilog 提供 Z16FMC 系列 16 位 MCU 用于无传感器 BLDC 电机控制。 据该公司所称,任务要求 MCU 具有快速响应能力来实时处理 PWM 更新。 Z16FMC 能够在 ADC 和定时器之间以及比较器与 PWM 输出之间提供自动互操作。 图 5 显示了 Zilog 电机控制 MCU 的框图。

霍尔效应传感器式替代反电动势的方法

图 5:Zilog Z16FMC 电机控制 MCU 框图。

Microchip PIC18F2431 也是用于无传感器 BLDC 电机控制的常用 MCU。 该芯片使用 8 位处理器并可工作在多达 16 MIPS 的指令速度下。 PIC18F 系列的变型器件将三相电机控制 PWM 外设与多达八个输出和 10 或 12 位 ADC 综合在一起。

Texas Instruments (TI) 为其零件提供了一个用于三相 BLDC 装置的电机控制评估套件。。 按照该公司所述,DRV8312-C2-KIT(图 6)– 基于 DRV8312 PWM 电机驱动器– 就是一种无传感器磁场定向控制 (FOC) 和传感器/无传感器梯形变换平台,从而加速开发,实现产品快速上市。 应用包括次 50 V 和 7 A 无刷电机,用于驱动医用泵、门、电梯和小型泵以及工业和消费机器人与自动化设备。

霍尔效应传感器式替代反电动势的方法

图 6:TI 的三相 BLDC 电机评估套件基于 DRV8312 PWM 电机驱动器。容-源-电-子-网-为你提供技术支持

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