1.下面是典型的三相BLDC電機控制框圖.

 

三個半橋驅(qū)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(qū)動電壓輸出，另外一個半橋上下管全關(guān)，這個相電壓是懸浮態(tài)。

 

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(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)引起磁通的變化，而磁通的變化在定子繞組上會產(chǎn)生感應(yīng)電壓。

 

對同一個電機來說，反電動勢峰值跟電機轉(zhuǎn)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(jù)上面對反電動勢峰值跟轉(zhuǎn)速(電頻率)幾乎成固定比例的描述，設(shè)定 。Vm為反電動勢峰值, 對于同一個電機，我們可以認(rèn)為Kv幾乎不變。

 

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

 

設(shè)當(dāng)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(shè)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(qū)域的積分值就等于藍色三角形的面積：

 

 

可以看到，積分結(jié)果是Kv值的，因此積分結(jié)果也是幾乎不變的。

 

所以我們可以根據(jù)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(shè)計有三相相電壓ADC采樣電路，每60度電角度區(qū)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(dǎo)出該相實際的反電動勢電壓,具體可以看下面的推導(dǎo),推導(dǎo)過程參考了TI的參考設(shè)計TIDA-010031 http://www.ti.com/lit/ug/tiduej4/tiduej4.pdf?ts=1588819919326

 

所以如果對這個電機控制方法感興趣的，可以在TI官網(wǎng)上查看該參考設(shè)計的軟硬件開發(fā)資料。

 

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

 

●   在上管ON的時間比較長時，在上管ON時遠離MOSFET開關(guān)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(qū)動邏輯是A相上管導(dǎo)通，B相下管導(dǎo)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(dāng)Ec=0，也就是反電動勢過零時，， 也就是說當(dāng)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(jīng)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(qū)動邏輯是A相上管關(guān)閉，B相下管仍導(dǎo)通,此時A相下管MOSFET體二極管續(xù)流，所以有。

 

 

得到當(dāng)Ec=0，也就是反電動勢過零時,vc=0， 也就是說當(dāng)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(jīng)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(shè)計上需要注意以下兩點

 

   1. 積分閾值跟電機的反電動勢峰值和轉(zhuǎn)速比值相關(guān)，可能會隨著電機不同而不同，需要針對電機進行調(diào)整。

   2. 上管做PWM驅(qū)動的設(shè)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(diào)整

   3. 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(guān)周期采樣的，所以要獲得比較準(zhǔn)確的換相點，需要比較高的開關(guān)頻率，如果開關(guān)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。

 

 

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