GD32創(chuàng)新反電動勢采樣方案，助力高效控制BLDC電機

0   引言

電機（Electric machinery，俗稱“馬達”）是指依據(jù)電磁感應定律實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置，用來產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩作為電器或各種機械的動力源。目前通常使用微控制器（MCU）對電機的啟停及轉(zhuǎn)速進行控制。本文介紹了基于兆易創(chuàng)新（GigaDevice）公司GD32 MCU 的一種創(chuàng)新型高精度反電動勢電壓采樣方案，廣泛應用于工業(yè)控制、智能制造、消費電子、家用電器、交通運輸?shù)阮I域?qū)崿F(xiàn)高效電機控制。

圖1 有刷直流電機

1   電機控制概況

按照工作電源的不同，電機可分為直流電機和交流電機。其中，直流電機又可分為有刷直流電機和無刷直流電機。

1.1 有刷和無刷直流電機的區(qū)別

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

磨損，會造成一定損耗，并且需要定時更換碳刷。

●   無刷直流電機（圖2）：電子換向，線圈不動，磁極轉(zhuǎn)動。通常用霍爾元件感應永磁體位置，進而控制電流的方向，達到換向作用。

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

因此無刷直流電機既有直流電機良好的調(diào)速性能等特點，又有交流電機結構簡單、無換向火花、運行可靠和易于維護等優(yōu)點。

圖2 無刷直流電機

1.2 BLDC電機控制方法

無刷直流電機屬于自換流型（自我方向轉(zhuǎn)換），因此控制起來更加復雜，需要了解電機進行整流轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)子位置和機制。許多不同的控制算法都被用以提供對于BLDC 電機的控制。一般將功率晶體管用作線性穩(wěn)壓器來控制電機電壓。但當驅(qū)動高功率電機時，這種方法并不實用。高功率電機必須通過MCU 提供PWM 信號來實現(xiàn)起停和速度功率控制。

控制算法必須提供下列三項功能：

●   用于控制電機速度的PWM 電壓；

●   用于對電機進整流換向的機制；

●   利用反電動勢或霍爾傳感器來預測轉(zhuǎn)子位置的方法。

脈沖寬度調(diào)制用于將可變電壓應用到電機繞組來控制電機的速度和可變轉(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)了定子中的適當繞組，可根據(jù)轉(zhuǎn)子位置生成最佳的轉(zhuǎn)矩。在一個BLDC電機中，MCU 必須知道轉(zhuǎn)子的位置并能夠在恰當?shù)臅r間進行整流換向。

無刷直流電機的電子換向器可以分為傳感器型和無傳感器型，無傳感器型的電子換向器在體積和成本上都更具優(yōu)勢。目前的無傳感器型的無刷直流電機的控制方法主要是通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）或者比較器采集電機的反電動勢過零點信號。雖然模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集反電動勢的方法算法比較復雜，但由于很多MCU內(nèi)部都集成有模數(shù)轉(zhuǎn)換器，對于三相電機來說，可以節(jié)省三個比較器，從而節(jié)省體積和成本。模數(shù)轉(zhuǎn)換器需要在特定的時間點進行采樣，然后通過軟件與零點進行比較，從而獲得無刷直流電機的換相時刻，以預測無刷直流電機的下一次換相時刻。無刷直流電機系統(tǒng)如圖3 所示。

圖3 無刷直流電機系統(tǒng)框圖

在現(xiàn)有技術中，由于場效應晶體管（MOSFET）具有開關噪聲，因此無刷直流電機的驅(qū)動信號在高電平和低電平之間進行切換時，其波形往往具有較大的波動，從而會導致反電動勢的采樣結果不準確，嚴重時可導致電機無法正常工作。因此，亟需對現(xiàn)有的無刷直流電機系統(tǒng)及控制方法進行進一步改進，以解決上述問題。

2   GD32電機控制方案介紹

為了解決場效應晶體管狀態(tài)改變時產(chǎn)生噪聲的問題，我們基于兆易創(chuàng)新公司GD32 MCU 系列產(chǎn)品，提供了一種無刷直流電機系統(tǒng)及無刷直流電機的控制方法。利用驅(qū)動信號占空比不同大小，選取不同采樣點，從而得到準確的反電動勢電壓，可大幅提高電機運行的穩(wěn)定性。

2.1 在預定時刻對反電動勢進行采樣

在驅(qū)動電路的每個上橋臂的工作階段內(nèi)，預定時刻設置于驅(qū)動信號的高電平階段，且臨近該高電平階段的下降邊沿，或設置于驅(qū)動信號的低電平階段且臨近該低電平階段的上升邊沿，從而可以避免場效應晶體管的開關噪聲對模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣造成的影響。

2.2 判斷占空比，選擇采樣點

當占空比低于50% 時，在MOS 管關閉期間進行采樣；當占空比高于50% 時，在MOS 管打開期間進行采樣，并將采樣點由中間點改為MOS管狀態(tài)改變前。

因為在驅(qū)動電路中的場效應晶體管打開時，電壓采樣單元的采樣電壓是反電動勢疊加了1/2 的母線電壓（即驅(qū)動電路電源電壓）后的電壓，因此比較單元將采樣結果與1/2 的母線電壓進行比較。若相鄰的兩個采樣結果的電壓從低于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，則是反電動勢過零點了。當在驅(qū)動電路中的場效應晶體管關斷時，電壓采樣單元的采樣電壓是單純的反電動勢，反電動勢本身根據(jù)轉(zhuǎn)子位置變化會由負變正，或者由正變負。但由于驅(qū)動電路上場效應晶體管中的反向二極管的影響，負的反電動勢會被拉到接近0 V，因此在場效應晶體管關閉期間采集的反電動勢后與0 進行比較，若相鄰的兩個采樣結果的電壓從0 V變正或從正變0 V時，則是反電動勢過零點了（如圖4）。

圖4 方案采樣點示意圖

通過該方法，在占空比比較低的時候，高電平時間比較短但低電平時間長，在低電平期間采樣可以有足夠的時間避開MOS 的關閉時的噪聲。同樣的，在占空比高MOS 管打開時采樣也可以避開MOS 管打開時的噪聲。因此，不論占空比高低都可以得到準確的反電動勢電壓，從而為MCU計算BLDC 電機換相時間提供精確的反電動勢信號。

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

（注：本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2021年第1期。）