本文討論了一種使用在數(shù)字信號控制器 （DSC） 上實現(xiàn)的多數(shù)濾波器來控制無刷直流 （BLDC） 電機(jī)的無傳感器技術(shù)。該算法利用多數(shù)函數(shù)對反電動勢 （BEMF） 進(jìn)行數(shù)字濾波。對電機(jī)的每一相進(jìn)行濾波，以確定何時對電機(jī)驅(qū)動電壓進(jìn)行換向。

　　這種控制技術(shù)不需要分立的低通濾波硬件和片外比較器。無傳感器梯形控制有五個主要部分：

　　使用 DSC 上的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 外設(shè)對梯形 BEMF 信號進(jìn)行采樣

　　重建電機(jī)虛擬中性點

　　將梯形 BEMF 信號與重建的電機(jī)虛擬中性點進(jìn)行比較，以檢測過零點

　　使用多數(shù)函數(shù)過濾器過濾來自比較的信號

　　換向電機(jī)驅(qū)動電壓

　　有傳感器控制與無傳感器控制

　　BLDC 電機(jī)具有緊湊的尺寸、可控性和高效率，可用于消費(fèi)類和工業(yè)應(yīng)用。它也越來越多地用于汽車應(yīng)用，作為消除皮帶和液壓系統(tǒng)、提供附加功能和提高燃油經(jīng)濟(jì)性的戰(zhàn)略的一部分。控制 BLDC 電機(jī)所需的磁鐵和電子設(shè)備成本不斷降低，這有助于其在越來越多的應(yīng)用中使用，并在更高的功率水平下使用。

　　BLDC 電機(jī)通常與一個或多個轉(zhuǎn)子位置傳感器一起運(yùn)行，因為電勵磁必須與轉(zhuǎn)子位置同步。出于成本、可靠性、機(jī)械封裝的原因，特別是如果轉(zhuǎn)子浸入流體中運(yùn)行，則希望在沒有位置傳感器的情況下運(yùn)行電機(jī)，這被稱為無傳感器運(yùn)行。

　　可以通過在驅(qū)動階段之一期間感測未驅(qū)動電機(jī)端子上的 BEMF 電壓來確定何時對電機(jī)驅(qū)動電壓進(jìn)行換向。無傳感器控制的明顯成本優(yōu)勢是無需霍爾位置傳感器。如果低成本是主要考慮因素，并且不需要低速電機(jī)運(yùn)行，并且預(yù)計電機(jī)負(fù)載不會快速變化，那么無傳感器控制可能是您應(yīng)用的更好選擇。

　　六步（梯形）換向

　　本文描述的無傳感器算法中為電機(jī)繞組通電的方法稱為六步梯形或 120° 換向。每個步驟或扇區(qū)相當(dāng)于 60 度電度。六個部門組成了一場電氣革命。圖 1 顯示了換向過程。

　　圖 1：六步換向。

　　對于每個扇區(qū)，兩個繞組通電，一個繞組不通電。一個繞組在每個扇區(qū)中沒有通電這一事實是六步控制的一個重要特征，它允許使用無傳感器控制算法。當(dāng) BLDC 電機(jī)旋轉(zhuǎn)時，每個繞組都會產(chǎn)生 BEMF，根據(jù)楞次定律，它與提供給繞組的主電壓相反。該 BEMF 的極性與激勵電壓的方向相反。圖 2 顯示了理想的 BEMF 波形和過零點。

　　電機(jī)的 BEMF 波形隨轉(zhuǎn)子位置和速度的變化而變化。因此，在零速和極低速下使用 BEMF 檢測轉(zhuǎn)子位置是不可能的。然而，有許多應(yīng)用（例如，風(fēng)扇和泵）不需要定位控制或低速閉環(huán)操作。同樣，使用 BEMF 有許多不同的方法。這些方法中的大多數(shù)可以總結(jié)如下：

　　電機(jī)端子電壓檢測

　　中點電壓感應(yīng)

　　總線電流梯度感應(yīng)

　　所選擇的技術(shù)利用了中點電壓重建，它基于檢測非活動相的 BEMF 為零的情況。無傳感器過零技術(shù)適用于不需要接近零速度的閉環(huán)操作的廣泛應(yīng)用。

　　圖 2：過零檢測。

　　假設(shè)只有三個電機(jī)引線可用于檢測 BEMF，則必須確定電機(jī)中性點的電壓，因為 BEMF 波形將被中性點電壓抵消。

　　大多數(shù)時候，電機(jī)制造商不給電機(jī)中性點接線。但是，它可以由軟件生成。三個網(wǎng)絡(luò)與電機(jī)繞組并聯(lián)，以檢測每一相的電壓。中性線電壓等于相位信號的平均值。圖 3 顯示了如何使用六個電阻器測量每個相位的電壓。

　　將重建的電機(jī)中性電壓與每個 BEMF 信號進(jìn)行比較以確定過零事件。當(dāng) BEMF 信號等于電機(jī)中性點時，存在過零事件。

　　圖 3：基于 DSC 的系統(tǒng)。

　　實現(xiàn)算法

　　第一個任務(wù)是對 BEMF 信號進(jìn)行采樣。為了實現(xiàn)這一點，DSC 的 ADC 配置為以等于 DSC 的脈沖寬度調(diào)制器 （PWM） 重載頻率的采樣率同時對 BEMF 信號進(jìn)行采樣。因此，ADC 與 PWM 重載事件同步。

　　ADC 在 PWM 開啟時間進(jìn)行采樣，目的是避免電子開關(guān)產(chǎn)生的振鈴噪聲。信號的采樣點在 PWM 開啟時間內(nèi)是可變的，具體取決于電機(jī)速度。

　　然后重建電機(jī)中性點并與 BEMF 信號進(jìn)行比較。通過這些軟件比較產(chǎn)生的信號仍然有一些噪聲，這些噪聲將使用多數(shù)函數(shù)過濾掉。

　　數(shù)字濾波器：多數(shù)函數(shù)

　　這種 BEMF 濾波方法是一種稱為多數(shù)函數(shù)的非線性數(shù)字濾波器。多數(shù)函數(shù)是一個布爾函數(shù)，它接受 n 個二進(jìn)制輸入并返回其中最常見的值。可以表示如下：

　　多數(shù)函數(shù)濾波器的第一級是通過兩個邏輯運(yùn)算來實現(xiàn)的；第一個運(yùn)算符 （AND） 檢測到活動的 BEMF 信號。第二個運(yùn)算符 （XOR） 檢測活動 BEMF 信號的下降沿和上升沿。這兩個操作的輸出稱為“有源屏蔽 BEMF”信號。

　　然后使用多數(shù)檢測濾波器過濾有源屏蔽的 BEMF 信號。這個過濾器是用一個由 64 個值復(fù)合而成的數(shù)組和一個特殊的邏輯測試條件來實現(xiàn)的，用于修改下一個數(shù)據(jù)值的指針。

　　有 64 個值表示 6 個樣本窗口對于有源屏蔽 BEMF 信號可能具有的 2 6種可能組合。查找表中的每個值都是指向下一個可能的六樣本窗口的指針。圖 4 顯示了如何根據(jù) BEMF 信號更新六樣本窗口。

　　過濾器始終在邏輯測試條件的輸出處尋找真到假的變化。如果檢測到這種從真到假的條件，則過濾器會查找三個連續(xù)的假狀態(tài)以驗證是否發(fā)生過零事件。邏輯測試條件輸出的真到假條件表示電機(jī)換向；因此，一個新的 BEMF 信號將被監(jiān)測。

　　圖 4：六個樣本窗口。

　　有 16 個唯一索引值表示真到假條件。這些值為 24、25、26、28、40、41、42、44、48、49、50、52、56、57、58 和 60。這些唯一值被替換為 1，以表示真到假條件發(fā)生。

　　使用以下多數(shù)函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)選擇 16 個唯一值。當(dāng)一個數(shù)字的二進(jìn)制表示在三個最高有效位中包含大多數(shù) 1，然后是大多數(shù)零時，該數(shù)字是唯一值。

　　剩下的 48 個數(shù)字是指向唯一值的指針，以防發(fā)生真到假情況。有些值永遠(yuǎn)不會指向任何唯一值，因為它們不是 16 個唯一數(shù)字中任何一個的倍數(shù)。然后將這些數(shù)字指向它們的倍數(shù)并以這樣的方式陷入循環(huán)，即過濾器正在等待指向 16 個唯一數(shù)字之一的新值。圖 5 顯示了完整的多數(shù)濾波器的框圖。

　　圖 5：過濾 BEMF 信號。

　　BLDC 電機(jī)的一個有趣特性是它們將在一定程度上同步運(yùn)行。這意味著對于給定的負(fù)載、施加的電壓和換向速率，電機(jī)將保持與換向速率的開環(huán)鎖定；前提是這三個變量不會顯著偏離理想值。在實際實現(xiàn)中，使用比例積分和微分 （PID） 控制回路來控制這些變量。

　　強(qiáng)大且具有成本效益的 DSP 引擎使有效控制無傳感器應(yīng)用中的扭矩和速度需求成為可能。數(shù)字信號控制器非常適合對效率、高性能和成本有關(guān)鍵要求的應(yīng)用。

　　本文面向希望使用新的電機(jī)控制技術(shù)驅(qū)動無傳感器 BLDC 電機(jī)的開發(fā)人員。該技術(shù)無需使用分立的低通濾波硬件或片外比較器，同時提供高效率和卓越的性能。