1?電動工具、園林工具介紹及控制難點

電動、園林工具現(xiàn)在在人們的生活中已經(jīng)廣泛應(yīng)用，極大的方便了人們的生產(chǎn)、生活。像電動扳手、槍鉆、電錘、角磨等工具在工業(yè)生產(chǎn)、基建裝修是隨處可見的；而園林工具現(xiàn)階段可能還是國外歐美地區(qū)用的更多，像割草機、暴風(fēng)機、打草機等很多老外都有自己的私人花園、草地對工具這類需求是比較求旺盛的。而隨著居民生活水平的不斷提高，消費質(zhì)量也在明顯改善，對各類工具的需求也是越來越強烈，對工具的使用也是在不斷追求更智能化。

早期的電動工具主要都是靠交流電機、有刷直流電機；它們?nèi)秉c也是很明顯的，體積大、效率低，特別是有刷電機，因為有碳刷的存在，運行過程中有電火花，一些對靜電，防火等級較高的場所無法使用。同時碳刷在使用的過程中存在磨損，長時間使用需要定期更換。而隨著稀土永磁材料的發(fā)展以及半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進(jìn)步，無刷電機控制技術(shù)逐漸走向成熟，無刷電機有著更高的效率，配合電機運用矢量技術(shù)效率甚至可以到90%以上。矢量技術(shù)運用到直驅(qū)電機上，還可以大幅度降低噪聲和振動，用戶的使用體驗也會更佳。隨著控制技術(shù)的發(fā)展，對成本也越來越敏感，無位置傳感技術(shù)的應(yīng)用在電動園林工具上也逐漸成為主流。

無刷無傳感電機主要優(yōu)點體現(xiàn)在低成本，結(jié)構(gòu)簡單，沒有碳刷的影響，使用壽命更長，稀土磁鋼的應(yīng)用，功率密度可以做的更高，體積更小，采用直接驅(qū)動的方式，沒有齒輪轉(zhuǎn)動機構(gòu)，噪聲，振動也能更小。

無刷無傳感電機控制技術(shù)特點主要體現(xiàn)在工藝簡單、可靠性高，成本更低；但是在不同工具上應(yīng)用，因其工況不一樣隨著堵轉(zhuǎn)性能的要求不斷提高，技術(shù)難度也隨之增加，吹風(fēng)機類的產(chǎn)品主要難度在與高轉(zhuǎn)速以及快速的順風(fēng)起動；現(xiàn)在有些吹風(fēng)機用外轉(zhuǎn)子電機其電周期都2K以上，對高轉(zhuǎn)速控制提出了更改高的要求。像電動扳手、修枝機類的產(chǎn)品要求有更快的啟動速度，進(jìn)而獲得較大的啟動瞬時扭矩；而電鏈鋸，割草機類的產(chǎn)品啟動刀盤具有加大慣量，運行過程則會有大負(fù)載的工況，要求具備一定抗堵能力。槍鉆則不僅要求有一定的啟動扭矩，還要求具備一定的堵轉(zhuǎn)啟動能力，同時還要求具備很強的抗堵性能，特別是遇到大負(fù)載狀態(tài)，保持電機持續(xù)輸出扭矩。在一些要求高的場合還要求低速狀態(tài)下也能持續(xù)扭矩輸出，而且不失步，并在停止轉(zhuǎn)動時還能保持力矩輸出。以上都是DC類無傳感電動工具要求的一些技術(shù)特點，而難度最高的則是AC類小電容技術(shù)，沒有大電容來濾波穩(wěn)壓，母線電壓周期性波動，同時要求電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，大負(fù)載狀態(tài)下抗堵能力強，對整個電機控制算法上有了更高的要求。

2 BLDC電機控制難點解決原理和方法

電機主要分直流電機和交流電機，直流電機中又分為電勵磁式和永磁式；電勵磁長常見就是串勵和并勵，在永磁式中主流就是有刷和無刷，無刷BLDC因其優(yōu)異的性能逐漸占據(jù)市場。在交流電機中工業(yè)生產(chǎn)、生活中目前主要還是異步電機居多，無論單相還是多相；但是同步類的永磁電機因為其高效節(jié)能、加入一些智能化的控制和保護(hù)，也在逐漸取代異步電機。

這個圖片其實就是無刷電機的主要結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)也比較簡單，帶有磁鋼部分的是轉(zhuǎn)子，含有線圈部分則是定子；如果是有霍爾電機，則會在定子結(jié)構(gòu)上排列霍爾傳感器。

無刷直流電機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括逆變器、電機本體、控制器、轉(zhuǎn)子位子檢測傳感器；控制器接收外部控制信號，并通過轉(zhuǎn)子位置傳感器獲取轉(zhuǎn)子位置；輸出控制信號控制逆變器的6路MOS管有序開通關(guān)斷，使電樞繞組依次饋電，從而在定子上產(chǎn)生跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場，進(jìn)而驅(qū)動永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

BLDC電機控制的難點之一關(guān)鍵就在如何有效獲取轉(zhuǎn)子的磁極位置，其二就是如何通過控制6個功率器件組成的3相半橋來控制電樞繞組通電順序，以形成跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動永磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。

首先要確定好BLDC電機6步換向的順序，從而形成跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場；我們先在左邊畫一張這樣向量圖，A+,B+,C+三者之間的夾角為120°，A+的反方向就是A-,依次類推。假設(shè)第一拍是A+B-,轉(zhuǎn)子要求順時針旋轉(zhuǎn)，那么下一排就是A+C-,再下一排就是B+C-,依次變換相鄰的一相，這樣6步換向的順序根據(jù)這張矢量圖也就很好的確定下來了。

我們先看右邊這張圖首先是A+C-通電，根據(jù)右手螺旋定則形成電樞磁動勢Fa，與初始轉(zhuǎn)子位置D軸方向是磁動勢Ff成120°夾角，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動當(dāng)夾角在60°時立馬換到下一拍A+C-；從而周而復(fù)始地?fù)Q向，轉(zhuǎn)子也隨之轉(zhuǎn)動；轉(zhuǎn)子和定子之間的夾角的平均角度可以認(rèn)為是90°。

對于無傳感驅(qū)動的無刷電機而言，關(guān)鍵就是轉(zhuǎn)子位置的精確可靠識別；轉(zhuǎn)子的狀態(tài)又分為靜止?fàn)顟B(tài)還是運動狀態(tài)；靜止?fàn)顟B(tài)可以通過6脈沖定位方式確定轉(zhuǎn)子初始位置，如果轉(zhuǎn)子在運動，低速狀態(tài)下因為反電勢變化緩慢，在有負(fù)載狀態(tài)下不能有效確定轉(zhuǎn)子位置變化，可以通過長短脈沖插入的方式確定轉(zhuǎn)子位置。如果轉(zhuǎn)子在高速運行，轉(zhuǎn)子位置變化趨勢明顯，可以通過反電勢過零點檢測的方式確定轉(zhuǎn)子位置及變化趨勢。

下面我們來看在中高速狀態(tài)下檢測反電勢過零點中常用的方案，一種是直接在PWM_ON時刻采樣三路ADC，并根據(jù)懸空相電壓是母線電壓的一半時，則認(rèn)為檢測到了過零點；該方案硬件簡單，成本低廉，但是占用CPU資源較高，軟件控制相對復(fù)雜。

以上是對第一種方案，PWM_ON時刻的理論推導(dǎo)；簡化電機模型，列出三相動態(tài)平衡方程，C相因為是懸空相無導(dǎo)通電流，帶入式子簡化后可以得到ec等于0時；等于二分之一(UAG+ UBG)。

另一種方案則是ADC單路三次諧波電壓檢測，需要構(gòu)建一個虛擬中性點，單一通道采樣，節(jié)省ADC通道資源，在ADC采樣速率受限的情況，可以以更小的占空比采樣反電勢；但是對電機有一定要求，要求電機的磁場三次諧波分量和三次繞組系數(shù)較大才行，不過電動園林工具類的電機基本是滿足該需求。

這種方式則是通過三路比較器實現(xiàn)，通過構(gòu)建一個虛擬中性點，并把它作為比較器的反向輸入端，作為比較參考點，懸空相的反電勢隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動反電勢在過零點之前會比虛擬中性點小，在過零點之后會比虛擬中性點大，從而比較器會輸出相應(yīng)的邊沿跳變，通過邊沿的跳變觸發(fā)IO口中斷實現(xiàn)換向動作；通過比較器形式實現(xiàn)過零點檢測軟件設(shè)計簡單，也能實現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)速，一般3k的電周期沒問題，更高電周期則會受限于軟件的運行速度，在一個換向周期內(nèi)，軟件相關(guān)的運算能否及時完成。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在越來越多的芯片廠商將運放和比較器直接集成在芯片中，通過軟件控制切換通道，則只要一個比較器也能實現(xiàn)過零點檢測。這種方案外圍電路簡單，但需要加入一定的濾波，避免開關(guān)噪聲的影響。

對電機啟動要求高的應(yīng)用，通常會采用輔助位置傳感器，確保啟動的高可靠性；高速階段采用無傳感方式控制。早期的無傳感控制通常采用三段式啟動，先預(yù)定位，再開環(huán)外同步加速，最后實現(xiàn)閉環(huán)過零點檢測控制。缺點就是在啟動階段易受負(fù)載轉(zhuǎn)矩的影響，容易出現(xiàn)失步。為了提高無傳感控制的啟動成功率，加入了轉(zhuǎn)子初始位置檢測，實現(xiàn)閉環(huán)直接啟動。

轉(zhuǎn)子初始位置檢測是通過注入6脈沖以實現(xiàn)定位轉(zhuǎn)子位置；主要原理是基于定子鐵心的磁飽和原理，轉(zhuǎn)子永磁體對帶鐵心的線圈繞組有增磁和去磁作用；當(dāng)轉(zhuǎn)子N極靠近繞組線圈時，繞組線圈電感變小，當(dāng)N極距繞組線圈±90°電角度，電感增大；如左邊圖所示。

根據(jù)矢量圖采用一正一反的方式注入6脈沖A+B-C-,A-B+C+;A+B-C+,A-B+C-;A-B-C+A+B+C-;

并根據(jù)獲得的6個電流值，找出其中的最大值，再比較最大值電流的電壓矢量相鄰的兩個電流值；采用這種形式一般可以精確到轉(zhuǎn)子電角度30°的位置。

低速動態(tài)轉(zhuǎn)子位置檢測采用的是注入長短脈沖的方式實現(xiàn)，連個相鄰的兩個短脈沖用于檢測轉(zhuǎn)子位置，當(dāng)相鄰兩個電流值大小相等時，即可以認(rèn)為到了換向點，立即切換到下一拍；同時2號短脈沖也要切換到相鄰的矢量脈沖，繼續(xù)檢測電流的變化趨勢；這樣就能確保在低速狀態(tài)下，也能準(zhǔn)確換向不會失步。

3?基于MS8040芯片的電動園林工具方案介紹

MS8040是上海晟矽微電子針對電動園林工具市場開發(fā)的一款高性價比芯片；該芯片集成250V耐壓的高壓三相柵極驅(qū)動器， MCU內(nèi)核是32位的ARMCortex-M0，芯片最高主頻48MHz 支持，32KBFLASH ROM，4K SRAM，12位高速ADC，多達(dá)10個外部通道。同時芯片還集成了2 個高性能電壓比較器和3個高增益運算放大器，能夠滿足絕大多數(shù)電機應(yīng)用場合。想要更詳細(xì)了解芯片相關(guān)信息可以掃碼關(guān)注微信公眾號或登錄晟矽微官網(wǎng)直接獲取。

該原理圖是MS8040芯片16V槍鉆的典型硬件設(shè)計，已經(jīng)在客戶端批量生產(chǎn)。

該方案支持直接采用三路反電勢ADC模式采樣，同時也支持在外部構(gòu)建虛擬中性點用比較器檢測過零點，也支持單路反電勢虛擬中性點采樣模式檢測過零點；ADC和比較器也支持混合使用。

MS8040方波方案可以只采用單通道采樣，節(jié)省ADC通道資源，因為只需一路ADC反電勢采樣可以在更小空比下采樣。

基于虛擬中性點分壓反電勢采樣，中性點在PWM_ON時刻電壓一般呈弦波變化，其中點位置就是反電勢過零點位置，最大、最小值根據(jù)電機模型簡化可以得到如上圖兩個電路，并運用基爾霍夫定律，求出最大最小值，即可得中點位置電壓值，ADC采樣值和中點電壓閾值比較可以獲取到過零點信號。

過零點信號的有效提取，主要采用一個定時器，定時器1通道用于設(shè)置屏蔽過零點信號測檢測時間；在檢測到過零點信號后，屏蔽過零點檢測，避免續(xù)流信號干擾，并設(shè)置過零點屏蔽時間T2；T2的時間可以根據(jù)相鄰過零點時間T3設(shè)置，一般取T3的0.8-0.7范圍即可；定時器通道2用于延時換向時間T1的設(shè)置,在檢測到過零點信號后，讀取當(dāng)前定時器計數(shù)值，并將定時器計數(shù)值清零；即獲取了上一刻過零點到當(dāng)前一刻的過零點時間，也是6步換向，其中一扇區(qū)的時間，并將該扇區(qū)一半時間作為延時T1的值。到了相應(yīng)的T1時間觸發(fā)中斷，進(jìn)入定時器通道2中斷實現(xiàn)換向動作，經(jīng)過時間T2，進(jìn)入定時器通道1中斷中開啟過零點檢測。

4?實際應(yīng)用問題以及解決方式

MOS管發(fā)熱嚴(yán)重時，特別是在小占空比情況MOS發(fā)熱很快，可以改用上下管互補調(diào)制的模式，相當(dāng)于開關(guān)電源里面的同步整流模式，這樣在換向時刻的續(xù)流電流不經(jīng)過下橋的體二極管，而是直接通過MOS內(nèi)阻，導(dǎo)通損耗可以大幅度降低。右上角的波形即是采用非互補模式，負(fù)載較小時，續(xù)流電流也很小，在PWM_OFF時刻出現(xiàn)反電勢波形；當(dāng)然如果負(fù)載較大時，續(xù)流時間較長，被下管鉗位也就不會出現(xiàn)。右下圖就是采用互補模式，小負(fù)載狀態(tài)下PWM_OFF時刻相線被強制接地，也就不會出現(xiàn)OFF時刻有反電勢波形。

如果想要6路MOS發(fā)熱更佳均勻可以采用前PWM_后ON模式，在一個120°電角度中前60°PWM調(diào)制；后60°常開的方式，這樣每個MOS都參與了調(diào)制和常開，整體開關(guān)損耗一致，發(fā)熱也會更加均勻。

換向超前角的調(diào)整，在超前角設(shè)置合理的狀態(tài)，相線電流波形一般波動幅度不大；我們可以參考相線電流的變化趨勢，恰當(dāng)調(diào)整超前角，如左下圖所示，電流前低后高出現(xiàn)一個斜向上的趨勢，說明超前角偏小，相位有點滯后；而右下圖的相線電流時先高后低，呈現(xiàn)一個斜向下的趨勢，說明超前角設(shè)置偏大，相位超前了。

增加超前角可以實現(xiàn)電流相位超前控制，可以減小電流峰值；同時電流相位超前反電勢，也具有弱磁效果；如左下圖所示，如果電勵磁Fa和轉(zhuǎn)子磁勢Ff的夾角一直大于90°時，那么電勵磁Fa的分量可以和轉(zhuǎn)子磁勢Ff抵消一部分；也就相當(dāng)于減弱了轉(zhuǎn)子磁勢，即實現(xiàn)了弱磁控制；這時候電機轉(zhuǎn)速也會有所提升。

　　審核編輯：湯梓紅