bldc电机控制入门

2006 Microchip Technology Inc.DS93001A_CN 第 1 页GS001引言引言由于直流无刷 （BLDC）电机可降低能耗及维护成本， 因此在对效率和可靠性要求较高的应用场合BLDC电机 正重新受到关注。在大量应用中， dsPIC30F 电机控制 芯片是多种类型 BLDC 电机的理想驱动和控制器件。 Microchip 已经开发了许多基于 dsPIC30F 和 BLDC 电 机的解决方案。本文档将帮助用户为 BLDC 电机应用选 择最佳的解决方案。BLDC 电机基本知识电机基本知识直流有刷电机中的永磁体安装在定子上而电机绕组则安 装在转子上。在旋转过程中，绕组中的电流通过机械碳 刷和转子上的换向器进行换向。BLDC 电机的永磁体安 装在转子上而电绕组则安装在定子上。BLDC 电机的突 出优点在于消除了机械换向器和碳刷，这将极大增强机 械可靠性。直流电机中的换向器和碳刷会导致火花，因 此这些部件的消除意味着BLDC电机可以工作在恶劣的 环境中。由于 BLDC 电机绕组铜耗 I2R 发生在定子中， 因此可方便通过电机机壳进行散热。BLDC 电机的效率 从而得到极大的提升。然而，与普通直流电机相比 BLDC 电机控制较为复杂。 首先，需在电机绕组中建立一个旋转的电枢磁场。该电 枢 磁 场 方 向 必 须根 据 转 子 永磁 磁 场 位置 进 行 调 整。BLDC 电机的效率很大程度上取决于两个磁场的相 对位置关系。通常使用霍尔位置传感器来检测转子磁场 位置。根据来自霍尔传感器的信号正确对绕组进行激 励。不过当转子速度升高时，由于绕组电感的作用，电 压激励与其在绕组中产生的电流效应之间存在一定程度 的延迟。为克服该延迟，通常将电压激励提前一些。这 种现象称为相位超前，主要在高转速时通过软件实现。 采用相位超前技术可改善 BLDC 电机运行的效率。有位置传感器的有位置传感器的 BLDC 电机控制电机控制当对 BLDC 电机进行驱动时，必须知道相对于定子的转 子磁场位置。最常见的方法是通过霍尔效应传感器来产 生转子位置反馈信号。此类型控制称为有传感器 BLDC 电机控制。大多数 BLDC 电机具有三相绕组。根据转子 磁场的位置，每一个时刻只对其中两相绕组进行供电。 这样每相将导通 120 电角度，可实现 6 种不同的激励组 合。这种驱动方法称为 “方波” （trapezoidal）或 “六 拍换相”控制。六拍换相图 1对六拍换相方式进行了描述并给出霍尔传感器输出 信号的对照图。六拍换相提供了一种简单但高效的 BLDC 电机驱动方法。Hall A（HA） 、Hall B（HB）和 Hall C（HC）用于检测相对于 R、Y 和 B 绕组的转子位 置。根据来自霍尔传感器的读数 （1 至 6） ，将分别驱 动相应的两相绕组而第三相则不通电。每一个 360 电角 度周期将被分为 6 个 60 度电角度区间， 在每一个 60 度 电角度区间中，一相绕组将被驱动为高电平，第二相则 被驱动为低电平而第三相则将不通电。例如：在霍尔位 置 6 或区间 1，R 绕组将被驱动至高电平而 B 绕组将被 驱动为低电平，Y 绕组将不导通。通过读入霍尔传感器 状态，使用软件方式可方便实现六拍换相算法。图图 1：典型六拍换相：典型六拍换相作者：Stan DSouza Microchip Technology Inc.HARHB YHCB5 501234501 46231546区间区间60°霍尔位置霍尔位置使用使用 dsPIC30F 器件实现器件实现 BLDC 电机控制入门电机控制入门GS001DS93001A_CN 第 2 页 2006 Microchip Technology Inc.使用正弦电压驱动有传感器 BLDC 电机当作为发电机运行时， BLDC 电机将在三相绕组中产生 正弦电压输出 （互差 120 度电角度） 。因此自然的驱动 方式是采用三个互差 120 度电角度的正弦电压对 BLDC 电机进行驱动。在大多数 BLDC 应用中，六拍换相方式 通常可实现高效运行。 然而，在某些应用中六拍换相方 式中的 PWM 电压调制有时会导致转矩脉动，而转矩脉 动是导致一些系统中出现低频振动的原因。除六拍换相方式外，也可使用空间矢量调制 （Space Vector Modulation，SVM）技术产生正弦 PWM 波电压 以驱动三相绕组（互差 120 度电角度） 。与六拍换相方 式相比，该方法不但可实现高效率运行还可实现无脉动 的转矩输出。 Microchip 正在开发基于此技术的应用笔 记。无位置传感器无位置传感器 BLDC 电机控制电机控制位置传感器增加了 BLDC 电机应用的成本。同时，在制 造过程中需对位置传感器进行调整。然而，在相当多的 应用中并不需要获取精确的转子位置。运行于恒速或调 速范围有限的风机和压缩机电机即是这类应用的典型例 子。在这些应用场合中，在未通电绕组上检测到的反电 动势EMF可用作切换电机绕组PWM换相的控制信号。图 2 显示了典型无传感器控制的换相原理图。 在此方法 中， 每一个区间内对未通电相绕组上的反电动势EMF电 压进行检测。当此电压经过“中点”或“过零点”时， 即检测到过零发生。控制算法即可知道此时位于 60 度 电角度区间的中点且距离下一次换相还有30度电角度。 每一个区间所需的时间 （60 度电角度）称为 T60。当 检测到过零点时， 定时器将装载一个数值为 T60 的一半 的设定值。当定时器发生超时时，将产生中断并实现下 一次绕组换相。此控制方法称为 BLDC 电机的无传感器 控制。例如，在区间 1 中，将监视 Y 绕组的过零点。当过零发 生时，定时器将装入 T60 时间的一半作为设定值。当该 定时器超时时，绕组将按照前面介绍的方式进行换相。 即 Y 绕组被驱动为高电平， B 绕组保持低电平而 R 绕 组将不通电。Microchip 已经发布两个关于无位置传感器 BLDC 控制 的应用笔记：AN901， dsPIC30F在无传感器 BLDC 控制中的应用 ，以及 AN992， 用 dsPIC30F2010控 制无传感器 BLDC电机 。图图 2：典型无传感器控制的换相：典型无传感器控制的换相550011234 区间 区间000RYBT60T30 2006 Microchip Technology Inc.DS93001A_CN 第 3 页GS001dsPIC30F 应用笔记应用笔记以下是一些有关使用 dsPIC30F 实现 BLDC 电机控制的 应用笔记，这些应用笔记将有助于用户快速开始开发 BLDC 电机控制项目。AN957， 使用， 使用 dsPIC30F2010控制带传感 器的控制带传感 器的 BLDC电机电机本应用笔记介绍了如何使用 28 引脚 dsPIC30F2010 实 现带位置传感器BLDC电机的简单开环和闭环控制解决 方案。在该方案中，使用上面介绍的六拍换相模式对具 有位置传感器的 BLDC 电机进行控制。本应用中使用的硬件平台为PICDEM MC LV开发板。 只需微小改动，本应用笔记所述方案也可适用于 Microchip 的任何其他硬件平台 （参见后续有关电机控 制开发板的章节）。其中固件经过微小改动也可适用于 任何 dsPIC30F 电机控制器件。由于具有片内电机控制 PWM、霍尔传感器和 QEI 输入 模块，以及可计算多重 PID 控制环的 DSP 引擎，因此 dsPIC30F2010 是本应用的理想控制器件。AN901， ， dsPIC30F在无传感器在无传感器 BLDC控 制中的应用控 制中的应用本应用笔记介绍了如何使用前述的反电动势EMF检测技 术实现无位置传感器BLDC电机控制。 反电动势EMF电 压经过分压衰减后送至 dsPIC®数字信号控制器（Digital Signal Controller， DSC） 的 ADC 输入端。 随后使用高速 ADC 对过零事件进行检测。此技术提供了一种十分高效 的控制方法来实现无位置传感器 BLDC 电机起动和运 行，所 需 元 器 件 数 最 少。应 用 中 使 用 的 硬 件 是 dsPICDEM MC1 电机控制开发板配合 dsPICDEM MC1L 三相低压功率模块或 dsPICDEM MC1H 三相高压 功率模块。本应用中 MC1 开发板中使用 dsPIC30F6010 器件。此 应用笔记中详细介绍了如何起动和运行无位置传感器的 BLDC 电机。然而，此控制方法适用于市场上所有的 BLDC 电机。应用笔记中提供了详细说明以帮助用户对 起动和运行 BLDC 电机所需的 45 个参数进行配置。用 户可通过 MC1 开发板上提供的 LCD 和按钮对全部 45 个用户参数进行设定。固件支持四种不同的控制模式和两种起动模式。硬件驱 动部分通过 37 引脚 D 型连接器连接至高电压或低电压 功率模块， 可适用于电压范围从10至400 VDC的BLDC 电 机。也 可 对 固 件 进 行 修 改 以 适 用 于 其 他 任 何 dsPIC30F 电机控制器件。由于包括片内电机控制 PWM、霍尔传感器与 QEI 输入 模块以及采样反电动势 EMF 和检测过零事件所需的快 速 ADC， 因此 dsPIC30F6010 是本应用的理想器件。 可 使用该款器件强大的 DSP 引擎计算多重 PID 控制环。AN992， 用， 用 dsPIC30F2010控制无传感器控制无传感器 BLDC电机电机此应用笔记中的解决方案在AN901的基础上更进一步， 且提供了一种低成本和高效的实现方案。该解决方案基 于目前最小的 dsPIC30F 电机控制器件，即 28 引脚 dsPIC30F2010，该芯片具有 12 K 字节程序存储器和 512 字节 RAM。应用中的硬件得到简化且使用单独的 PICDEM MC LV 开发板作为硬件开发平台。由于 PICDEM MC LV 开发板不具有 LCD 且 dsPIC30F2010 的 I/O 数目有限，因此只能使用 PC 通 过串口和超级终端链接进行 45 个用户参数的设定。PICDEM MC LV只能支持从10至40 VDC的电压范围， 因此只有低压 BLDC 电机才能在此控制板上运行。然 而，本应用中使用的技术可作进一步推广。如果要提供 更高电压和电流的驱动器以支持高电压和高电流应用， 则硬件稍加修改即可运行电压范围从 40V 至 400V DC 的 BLDC 电机。由于片内包含电机控制 PWM、霍尔传感器与 QEI 输入 模块以及采样反电动势 EMF 和检测过零事件所需的快 速 ADC， 因此 dsPIC30F2010 是本应用的理想器件。 可 使用该款器件强大的 DSP 引擎计算多重 PID 控制环。GS001DS93001A_CN 第 4 页 2006 Microchip Technology Inc.用于控制用于控制 BLDC 电机的电机的 dsPIC30F 硬件 模块硬件 模块Micorchip 提供数目众多的硬件工具来帮助用户实现自 己的 BLDC 电机控制方案。图图 3：PICDEM MC LV 开发板开发板PICDEM MC LV 开发板开发板此板提供配置齐全的低电压开发平台 （图 3） ，支持所 有28引脚的dsPIC30F电机控制器件，包括 dsPIC30F2010、 dsPIC30F3010 和 dsPIC30F4012。 该 板的硬件配置支持有位置传感器以及无位置传感器的 BLDC 电机控制应用。厂商发货的板支持额定电压为 24V 的电机；然而，板上硬件在 10V 至 40V 的电压范 围内可容许电机电流达 4 A。板上配置串口可实现与外部信号源的通信。板上提供了 MPLAB® ICD 2 在线调试器连接可用于编程和调试。同 时提供了一个电位器以及两个开关分别用于速度调节和 起 / 停控制。板上配置的功