無傳感器BLDC驅動控制系統的設計

近年來，國內市場上電動車使用的電機主要有三種：有刷電機、有位置傳感器無刷電機和無位置傳感器無刷電機。使用有刷直流電機容易解決換相問題，但是噪音大，而且碳刷容易磨損或損壞，這會增大維護、維修難度，增加使用成本；使用有傳感器無刷直流電機容易確定轉子位置，解決換相問題，但卻增大了電機的設計、制造和安裝難度，也增加了成本，并且傳感器容易損壞，導致電機的使用壽命縮短；無傳感器無刷直流電機換相雖然在技術上有難度，但在成本和壽命上更容易滿足消費者需求。

綜合以上特點，本文討論的方案選擇了性價比較高的無傳感器無刷直流電機，以HT46R6?為主控芯片，用反電勢法(back electromotive force)實現電機正常換相，軟硬結合，使電動車驅動系統工作在最佳狀態，從而提高產品的可靠性和使用壽命。

系統工作原理

控制系統結構框圖如圖1所示，主要由MCU、直流無刷電機、LCD液晶顯示屏、鍵盤、電源、時鐘等模塊組成。其中MCU采用臺灣Holtek公司生產的HT46R6?微處理器，以它作為系統核心，連同一些外圍硬件，并配合軟件共同控制直流無刷電機，從而實現該驅動系統的優良性能。例如通過MCU指令控制電機的正反轉、調速、剎車或制動等。根據電機所轉圈數計量行程，并以數字形式呈現在液晶屏上，通過鍵盤操作方便查看行程以及其它系統信息。電源模塊主要用于在不需要顯示時切斷相應部分電路，同時保存關鍵信息，以降低系統功耗。

圖1：驅動系統結構框圖。

由圖1可以看出，本驅動控制器的主要功能大致分為三個部分：電機部分、行程計量以及LCD顯示，本文主要圍繞無傳感器電機的換相問題展開。

1. 反電勢換相原理

霍爾傳感器在電機中使用廣泛，帶位置傳感器直流無刷電機就是靠霍爾傳感器來確定轉子位置，以使定子各相繞組順序導通實現換相；而無傳感器直流無刷機則是利用電子線路代替位置傳感器(圖2)，通過檢測電機在運行過程中產生的反電勢過零點來確定轉子位置，實現換相，下面以星形繞組為例進一步說明。

圖2：用電子線路代替傳感器結構框圖。

電機在運行過程中要經過6次換相，每次換相時總有一相繞組未通電，此時可以在該相繞組端口檢測到繞組產生的反電勢，反電勢在60°電角度內是連續的。由于電機的規格、制造工藝有差異，導致相同電角度的反電勢值不同，如果要通過檢測反電勢的數值來確定轉子位置，難度非常大，因此必須找到該反電勢與轉子位置的關系，才能確定轉子位置。由圖3可知，反電勢在60°的電角度過程中總有一次經過坐標橫軸(過零點)，而此處的電角度和下一次換相點的電角度正好相差30°，故可通過檢測反電勢過零點，再延時30°換相。本設計是從被檢測相斷電開始計時等待反電勢過零點，再延時等待相應時間，實現換相。

圖3：電機運行時各相產生的反電勢示意圖。

以正向反電勢檢測為例，假設之前是CB通電，測A相反電勢過零點，有過零點信號后等待相應時間，由139譯碼器開通A+，同時自動關閉C+，就轉換成了AB通電；再測C相反電勢，用同樣的方法，開通C-，自動關閉B-，轉換成AC通電；再測B相反電勢，開通B+，關閉A+，轉換成BC通電；再測A相反電勢，開通A-，關閉C-，轉換成BA通電；接著測C相反電勢，開通C+，關閉B+，轉換成CA通電；然后測B相反電勢，開通B-，關閉A-，轉換成CB通電。經過AB→AC→BC→BA→CA→CB六次換相實現直流無刷電機的連續正轉；同理，反電勢法經過CA→BA→BC→AC→AB→CB六次換相可實現電機的連續反轉。

2. 反電勢過零方案

在無位置傳感器直流無刷電機模型推導的基礎上，可以采用圖4所示的方法，對無傳感器直流無刷電機不導通相繞組產生的反電勢進行過零檢測。圖4中的電阻R 起分壓作用，可以看出進入比較器LM339正端的A、B、C三相電壓與過零點檢測相(參考相)電壓明顯成兩倍關系，對于星形電機繞組，零點是兩相通電電壓的一半，經過電壓比較給出零點信號到單片機，收到信號后再在程序中進行換相處理，以確保電機正常運行。LM339的出端信號就是所謂的電機轉子位置信號，相當于傳感器信號，實質上是發出換相通知。