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霍爾效應(yīng)傳感器式替代反電動勢的方法

時間:2019-01-25 14:08:19來源:網(wǎng)絡(luò) 作者:admin 點擊:
無刷直流 (BLDC) 電機變得越來越流行,原因不言自明,因為使用傳統(tǒng)電機時始終會有電刷磨損,更換為電子控制器后將會大大提升設(shè)備的的可靠性。 而且在保持同等功率輸出的情

圖 3:無傳感器三相 BLDC 電機的控制電路(Microchip 提供)。

檢測反電動勢的方法

有多種技術(shù)來測量反電動勢。 最簡單的方法就是用比較器將反電動勢與一半的直流總線電壓比較。 圖 4a 顯示了這樣一個系統(tǒng)的示意圖。 在圖示情況下,比較器連接到線圈 B,完整的系統(tǒng)每個線圈都應(yīng)該連接有一個比較器。 在此圖中,線圈 A 正向激勵,線圈 C 反向激勵,而線圈 B 則開路。 當實現(xiàn)此相位的激勵序列時,反電動勢就會上升和下降。

這一簡單比較器方法主要缺點就是三個繞組可能沒有相同的特征,造成實際零交叉點的正負相移。 電機仍可能在運轉(zhuǎn),但可能消耗過多電流。

解決方法就是通過使用與電機繞組并接的三個電阻網(wǎng)絡(luò)來產(chǎn)生一個虛擬中性點(如圖 4b 所示)。 反電動勢然后就會與虛擬中性點進行比較。

第三種方法是采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)(如圖 4c)。 為 BLDC 電機控制提供的許多 MCU 包括適合作此用途的高速 ADC。 采用這種方法后,反電動勢就會衰減,以便可以直接饋送給 MCU。 信號被 ADC 采樣后就會同與零點對應(yīng)的數(shù)字值比較。 當這兩個值匹配時,線圈激勵序列就會變址到下一步。 這種技術(shù)具有一定優(yōu)勢,如允許使用數(shù)字濾波器來清除反電動勢信號中的高頻切換成份。²

霍爾效應(yīng)傳感器式替代反電動勢的方法

圖 4a:測量反電動勢的簡單比較器電路(Microchip 提供)。

霍爾效應(yīng)傳感器式替代反電動勢的方法

圖 4b:通過實施虛擬中性點可以改進簡單比較器電路(Microchip 提供)。

霍爾效應(yīng)傳感器式替代反電動勢的方法

圖 4c:信號被 ADC 采樣后就會同與零點對應(yīng)的數(shù)字值比較(Microchip 提供)。

無傳感器 BLDC 電機控制有一大不足,就是當電機靜止時,不會產(chǎn)生反電動勢,這樣 MCU 就無法知道定子和轉(zhuǎn)子位置信息。

解決方法就是通過以預(yù)定序列激勵線圈來啟動處于開環(huán)配置的電機。 當電機看似運轉(zhuǎn)效率不高時,就會開始循環(huán)該序列。 最終,速度將足以產(chǎn)生足夠的反電動勢,供控制系統(tǒng)切換到正常閉環(huán)運行狀態(tài)(有效狀態(tài))。

由于反電機勢與旋轉(zhuǎn)速度成正比,因此在需要較低速度的應(yīng)用中,無傳感器 BLDC 電機可能不是一個好的選擇。 此時帶有霍爾效應(yīng)傳感器的 BLDC 電機可能是更好的選擇。

無傳感器 BLDC 電機控制系統(tǒng)

無傳感器 BLDC 電機的不斷流行,促使半導(dǎo)體廠商們開發(fā)專門針對此類裝置控制和驅(qū)動的專用芯片。 典型的電機控制系統(tǒng)由一個 MCU 加上一個 IGBT(或 MOSFET)驅(qū)動器組成。

有許多 MCU 可供無傳感器 BLDC 電機使用,范圍覆蓋低成本的 8 位器件到較高性能的 16 位和 32 位器件,全部只需要最少的外設(shè)器件就可以驅(qū)動電機。 這些外設(shè)包括三相 PWM、ADC 和用于過流保護的比較器。³

Zilog 提供 Z16FMC 系列 16 位 MCU 用于無傳感器 BLDC 電機控制。 據(jù)該公司所稱,任務(wù)要求 MCU 具有快速響應(yīng)能力來實時處理 PWM 更新。 Z16FMC 能夠在 ADC 和定時器之間以及比較器與 PWM 輸出之間提供自動互操作。 圖 5 顯示了 Zilog 電機控制 MCU 的框圖。

霍爾效應(yīng)傳感器式替代反電動勢的方法

圖 5:Zilog Z16FMC 電機控制 MCU 框圖。

Microchip PIC18F2431 也是用于無傳感器 BLDC 電機控制的常用 MCU。 該芯片使用 8 位處理器并可工作在多達 16 MIPS 的指令速度下。 PIC18F 系列的變型器件將三相電機控制 PWM 外設(shè)與多達八個輸出和 10 或 12 位 ADC 綜合在一起。

Texas Instruments (TI) 為其零件提供了一個用于三相 BLDC 裝置的電機控制評估套件。。 按照該公司所述,DRV8312-C2-KIT(圖 6)– 基于 DRV8312 PWM 電機驅(qū)動器– 就是一種無傳感器磁場定向控制 (FOC) 和傳感器/無傳感器梯形變換平臺,從而加速開發(fā),實現(xiàn)產(chǎn)品快速上市。 應(yīng)用包括次 50 V 和 7 A 無刷電機,用于驅(qū)動醫(yī)用泵、門、電梯和小型泵以及工業(yè)和消費機器人與自動化設(shè)備。

霍爾效應(yīng)傳感器式替代反電動勢的方法

圖 6:TI 的三相 BLDC 電機評估套件基于 DRV8312 PWM 電機驅(qū)動器。容-源-電-子-網(wǎng)-為你提供技術(shù)支持

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