GD32創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”）是指依據電磁感應定律實現電能轉換或傳遞的一種電磁裝置，用來產生驅動轉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）對電機的啟停及轉速進行控制。本文介紹了基于兆易創新（GigaDevice）公司GD32 MCU 的一種創新型高精度反電動勢電壓采樣方案，廣泛應用于工業控制、智能制造、消費電子、家用電器、交通運輸等領域實現高效電機控制。

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別

●   有刷直流電機（圖1）：機械換向，磁極不動，線圈旋轉。內部含有碳刷，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（自我方向轉換），因此控制起來更加復雜，需要了解電機進行整流轉向的轉子位置和機制。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壓器來控制電機電壓。但當驅動高功率電機時，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子位置的方法。

脈沖寬度調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矩，有效電壓與PWM 占空度成正比。功率晶體管的換向實現了定子中的適當繞組，可根據轉子位置生成最佳的轉矩。在一個BLDC電機中，MCU 必須知道轉子的位置并能夠在恰當的時間進行整流換向。

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轉換器（ADC）或者比較器采集電機的反電動勢過零點信號。雖然模數轉換器采集反電動勢的方法算法比較復雜，但由于很多MCU內部都集成有模數轉換器，對于三相電機來說，可以節省三個比較器，從而節省體積和成本。模數轉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。無刷直流電機系統如圖3 所示。

圖3 無刷直流電機系統框圖

在現有技術中，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，亟需對現有的無刷直流電機系統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改變時產生噪聲的問題，我們基于兆易創新公司GD32 MCU 系列產品，提供了一種無刷直流電機系統及無刷直流電機的控制方法。利用驅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定性。

2.1 在預定時刻對反電動勢進行采樣

在驅動電路的每個上橋臂的工作階段內，預定時刻設置于驅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轉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管狀態改變前。

因為在驅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 母線電壓變為高于1/2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，反電動勢本身根據轉子位置變化會由負變正，或者由正變負。但由于驅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 在許多領域發揮出色的優勢。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自動化、儀器儀表、醫療、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《電子產品世界》2021年第1期。）