ADC采樣積分方式的BLDC方波無感控制的原理

本文主要參考了TIDA-010031參考設計，分析下ADC采樣積分方波無感控制的原理，方便大家更好地完成類似的方案設計。

1.下面是典型的三相BLDC電機控制框圖

三個半橋驅動BLDC無刷電機，檢測低邊總線電流

2.典型的BLDC電機相電流和反電動勢波形圖分析

從波形上看，每60度電角度，只有兩個半橋有驅動電壓輸出，另外一個半橋上下管全關，這個相電壓是懸浮態。

BLDC電機運行后，相線都有反電動勢。

電機反電動勢來源于電機轉子旋轉引起磁通的變化，而磁通的變化在定子繞組上會產生感應電壓。

對同一個電機來說，反電動勢峰值跟電機轉速幾乎是固定的比例。

3.反電動勢過零點到峰值的反電動勢電壓和時間的積分

根據上面對反電動勢峰值跟轉速(電頻率)幾乎成固定比例的描述，設定 。Vm為反電動勢峰值, 對于同一個電機，我們可以認為Kv幾乎不變。

以上圖左邊的藍色區域為例，該區域(反電動勢過零點時刻到下一次換相點時刻之間的區域)的電角度是30度，也就是電角度（360度）的1/12。

設當前電機電頻率為f, 單位為Hz。

反電動勢的峰值電壓為 ,單位為伏特。

設反電動勢從center tap value到最大值的時間為t1, 而 。

那么藍色積分區域的積分值就等于藍色三角形的面積：

可以看到，積分結果是Kv值的 ，因此積分結果也是幾乎不變的。

所以我們可以根據積分的值跟固定閾值作比較來判斷換相點。

4.ADC如何采樣反電動勢

方波無感BLDC的ADC采樣積分控制，電路設計有三相相電壓ADC采樣電路，每60度電角度區間電機的兩相由于半橋有輸入電壓同時有電感電流，在不增加額外電路的情況下很難獲得反電動勢電壓，而懸浮相由于沒有半橋電壓輸入和電感電流，所以可以從檢測該相端電壓推導出該相實際的反電動勢電壓。

設計上采用下管常開，上管打PWM的策略驅動電機。考慮到電機驅動的PWM duty的大小是變化的，可以根據半橋上管ON的時間長短來決定采樣策略，因為如果上管導通時間太短，為了避開MOSFET開通關斷的影響，留給采樣的時間就變得很少，不利于采樣的準確性.

• 在上管ON的時間比較長時，在上管ON時遠離MOSFET開關時刻檢測懸浮相的反電動勢電壓(一般在ON時間的正中間進行采樣)。

此時的驅動邏輯是A相上管導通，B相下管導通, 所以有 。

Ea, Eb, Ec為電機三相反電動勢電壓，va, vb, vc為三相半橋中點電壓，也就是電機三相輸入電壓。

La, Lb, Lc為電機三相相電感，ia, ib,ic為電機三相輸入電流，Ra, Rb, Rc為電機三相輸入電阻(考慮三相電阻相等), vn為電機三相中點電壓。

可以得到當Ec=0，也就是反電動勢過零時，， 也就是說當ADC檢測到時，就意味著這個時刻是C相的反電動勢過零點， 那么理論上再經過1/12 的電周期時間，電機就需要進行換向.

• 上管ON的時間比較短時，在上管OFF時檢測懸浮相的反電動勢電壓(一般在OFF時間的正中間進行采樣)

此時的驅動邏輯是A相上管關閉，B相下管仍導通,此時A相下管MOSFET體二極管續流，所以有。

得到當Ec=0，也就是反電動勢過零時,vc=0， 也就是說當ADC檢測到vc=0時，就意味著這個時刻是C相的反電動勢過零點， 那么理論上再經過1/12的電周期時間，電機就需要進行換向.

從上面的分析，我們可以看到，使用ADC采樣積分方式進行無感BLDC控制，設計上需要注意以下幾點：

● 積分閾值跟電機的反電動勢峰值和轉速比值相關，可能會隨著電機不同而不同，需要針對電機進行調整。

● 上管做PWM驅動的設計下， 可以采用不同的ADC采樣策略來針對大duty和小duty的情況，同時反電動勢過零點的判斷也需要調整

● 電機高速情況下，電頻率相對比較高，而ADC積分采樣基于PWM開關周期采樣的，所以要獲得比較準確的換相點，需要比較高的開關頻率，如果開關頻率比較低，意味著采樣速率慢，可能會造成換相延遲比較大，從而影響電機的正常控制。