BLDC无位置传感器控制技术

BLDC无位置传感器控制技术

2014.11.12

duguqiubai1234@

BLDC电机是一种结合了直流电机和交流电机优点的改进型电机。其转子采用永磁材料励磁，体积小、重量轻、结构简单、维护方便。BLDC电机又具有控制简便、高效节能等一系列优点，已广泛应用于仪表和家用电器等领域。

本文主要讨论高压BLDC风机无位置传感器起动和运行技术。

一、无位置传感器技术简介

BLDC电机最简单的控制方法是安装三个位置传感器，使用六步换相法控制。但传感器器会增大电机的体积和成本，另外传感器的位置精度影响电机的运行；特别对于极对数较多的电机，传感器偏差少许机械角度也可能引起电角度偏差很多。在某些恶劣环境下,如高温、潮湿、腐蚀性气体等环境，传感器易损坏，因而无法使用。

使用无位置传感器方式则可以克服上述缺点。

无传感器BLDC在性能上也存在一些不足:

（1）难以实现重负载（例如额定转矩）起动。好在风机属于轻负载起动的情况。

（2）难以快速起动。例如很难实现1秒内从静止加速到全速。好在风机通常不要求很短时间内完成加速。

（3）无法实现全速范围内任意调速。有传感器BLDC能够实现0%～100%额定转速范围内的调速，而无传感器BLDC通常只能实现10%～100%额定转速范围内的调速。好在风机通常不要求10%额定转速以下运行。

经过以上分析，可以看出风机非常适合使用无位置传感器方式控制。

国内高压无位置传感器BLDC技术仍处于不成熟阶段。使用该技术的产品应以稳定可靠为主要要求，而不是以性能优越为主要要求。高压无传感器BLDC如果追求性能优越，则成本太高，技术难度过大。

风机类产品通常起动后连续工作时间较长，所以通常不要求快速起动，不也要求反复起停。

风机类产品10%以下额定转速将造成风量过小，所以通常也不会要求10%额定转速以下运行。

无传感器BLDC起动时需要锁定转子、外同步加速（开环加速）等过程，所以起动较慢；起动过快易造成失败，所以通常不宜要求无传感器BLDC做快速起动。

二、虚拟中性点法过零检测电路

无位置传感器BLDC控制器的虚拟中性点法过零检测电路见图1。

UVW三相电压经电阻分压变为COMP_U、COMP_V、COMP_W。DUM_MID是虚拟中性点。ZCP_U、ZCP_V 、ZCP_W是过零信号。

图1

对于230V AC输入的系统，直流母线电压为320V。

UVW的电压峰值都是320V，而比较器接受15V以下信号。所以UVW需经电阻分压才能使用。

UVW分压电路上的电阻很大，通常数百KΩ。这使虚拟中性点法过零检测电路成为一个弱信号电路，极易受到干扰，布板时尤其要注意这一点。

布板时应尽量使虚拟中性点电路远离强电电路，并注意三相布线的对称性。

对于低速电机，虚拟中性点电路的滤波电容应取较大值，可取2.2nF或更大; 对于高速电机，电容应取较小值, 可取1nF或更小。

三、三段式起动方法

三段式起动方法是无位置传感器BLDC的常用起动方法。

起动过程包括转子锁定、外同步加速、自同步运行。

转子锁定：给UVW中的某两相通电，转子将被牵引至一个固定位置。

转子锁定的意义：转子锁定后, 转子位置变为已知，便于控制。

外同步加速：外同步加速完全是一个开环运行的过程。在未知转子位置的情况下，按一定规律换相，换相时间间隔逐渐缩短（也就是加速）。加速到一定阶段时，比较器输出易识别的过零信号，此时可以进入自同步运行阶段。

外同步加速阶段的步数不宜太少也不是太多。太少，电机转速不够高，不能产生易识别的过零信号。太多，其中错误的加电节拍会比较多，容易产生电流尖峰，容易产生“咔咔”声和卡顿感，容易造成失步。通常外同步加速的步数为2步至8步。

自同步运行：通过比较器输出信号识别出转子位置，根据转子位置通电和换相。

四、过零检测电路的比较器输出信号分析

比较器输出的信号波形可分为图2中（a）（b）（c）三种情况：

说明：图2中红色竖线表示换相时刻

（a）单纯过零波形

（b）过零波形+续流波形（橙色部分是续流波形）

（c）过零波形+过零噪声（蓝色部分是噪声波形）

续流波形可能不出现，也可能出现。当负载很轻，电流很小时，续流时间太短，又由于电路中有一定电容，此时比较器的输出将不出现续流波形。当电流较大时，电容无法将续流波形滤掉，此时比较器的输出将出现续流波形。

图2

续流波形可能不出现，也可能出现，这给控制带来一定困难。

可以采用延时滤波的方法滤掉续流波形。即在换相后，延时一定时间检测比较器输出。保证续流过程在该延时时间内结束。

使用该方法不必判断续流波形，而是将续流波形通过数字方法路掉。

对于过零信号，不必做跳变沿检测，而是做电平检测。即比较器信号为某一电平时，判断出是否已经过零。如果过零已经发生，则进行换相。

过零噪声信号也给控制带来一定困难。可以采用择多方法进行滤波，即在一定时间内多次读取比较器输出，如果“1”出现的次数多，则将结果记为“1”；如果“0”出现的次数多，则将结果记为“0”。通过该方法可以将噪声信号滤除。

滤除续流信号和过零噪声后，比较器输出信号的意义变得明确。它类似于hall信号，可以指示电机转子的位置，MCU根据该信号可以完成驱动和换相。

总结

无位置传感器BLDC技术特别适用于风机和水泵类负载。它们在起动时负载很轻，稳定运行过程中负载变化不大，加速曲线易于预测，是相对容易控制的负载。

无位置传感器在PCB布板上要求较高。虚拟中性点法过零检测电路是一个弱信号电路，极易受到干扰。布板时应尽量使虚拟中性点电路远离强电电路，并注意三相布线的对称性。

过零检测电路中比较器输出信号应注意对续流波形和过零噪声波形进行处理。数字滤波处理后的波形可用于换相控制。