无传感器BLDC驱动控制系统的设计

近年来，国内市场上电动车使用的电机主要有三种：有刷电机、有位置传感器无刷电机和无位置传感器无刷电机。使用有刷直流电机容易解决换相问题，但是噪音大，而且碳刷容易磨损或损坏，这会增大维护、维修难度，增加使用成本；使用有传感器无刷直流电机容易确定转子位置，解决换相问题，但却增大了电机的设计、制造和安装难度，也增加了成本，并且传感器容易损坏，导致电机的使用寿命缩短；无传感器无刷直流电机换相虽然在技术上有难度，但在成本和寿命上更容易满足消费者需求。

综合以上特点，本文讨论的方案选择了性价比较高的无传感器无刷直流电机，以HT46R6?为主控芯片，用反电势法(back electromotive force)实现电机正常换相，软硬结合，使电动车驱动系统工作在最佳状态，从而提高产品的可靠性和使用寿命。

系统工作原理

控制系统结构框图如图1所示，主要由MCU、直流无刷电机、LCD液晶显示屏、键盘、电源、时钟等模块组成。其中MCU采用台湾Holtek公司生产的HT46R6?微处理器，以它作为系统核心，连同一些外围硬件，并配合软件共同控制直流无刷电机，从而实现该驱动系统的优良性能。例如通过MCU指令控制电机的正反转、调速、刹车或制动等。根据电机所转圈数计量行程，并以数字形式呈现在液晶屏上，通过键盘操作方便查看行程以及其它系统信息。电源模块主要用于在不需要显示时切断相应部分电路，同时保存关键信息，以降低系统功耗。

图1：驱动系统结构框图。

由图1可以看出，本驱动控制器的主要功能大致分为三个部分：电机部分、行程计量以及LCD显示，本文主要围绕无传感器电机的换相问题展开。

1. 反电势换相原理

霍尔传感器在电机中使用广泛，带位置传感器直流无刷电机就是靠霍尔传感器来确定转子位置，以使定子各相绕组顺序导通实现换相；而无传感器直流无刷机则是利用电子线路代替位置传感器(图2)，通过检测电机在运行过程中产生的反电势过零点来确定转子位置，实现换相，下面以星形绕组为例进一步说明。

图2：用电子线路代替传感器结构框图。

电机在运行过程中要经过6次换相，每次换相时总有一相绕组未通电，此时可以在该相绕组端口检测到绕组产生的反电势，反电势在60°电角度内是连续的。由于电机的规格、制造工艺有差异，导致相同电角度的反电势值不同，如果要通过检测反电势的数值来确定转子位置，难度非常大，因此必须找到该反电势与转子位置的关系，才能确定转子位置。由图3可知，反电势在60°的电角度过程中总有一次经过坐标横轴(过零点)，而此处的电角度和下一次换相点的电角度正好相差30°，故可通过检测反电势过零点，再延时30°换相。本设计是从被检测相断电开始计时等待反电势过零点，再延时等待相应时间，实现换相。

图3：电机运行时各相产生的反电势示意图。

以正向反电势检测为例，假设之前是CB通电，测A相反电势过零点，有过零点信号后等待相应时间，由139译码器开通A+，同时自动关闭C+，就转换成了AB通电；再测C相反电势，用同样的方法，开通C-，自动关闭B-，转换成AC通电；再测B相反电势，开通B+，关闭A+，转换成BC通电；再测A相反电势，开通A-，关闭C-，转换成BA通电；接着测C相反电势，开通C+，关闭B+，转换成CA通电；然后测B相反电势，开通B-，关闭A-，转换成CB通电。经过AB→AC→BC→BA→CA→CB六次换相实现直流无刷电机的连续正转；同理，反电势法经过CA→BA→BC→AC→AB→CB六次换相可实现电机的连续反转。

2. 反电势过零方案

在无位置传感器直流无刷电机模型推导的基础上，可以采用图4所示的方法，对无传感器直流无刷电机不导通相绕组产生的反电势进行过零检测。图4中的电阻R 起分压作用，可以看出进入比较器LM339正端的A、B、C三相电压与过零点检测相(参考相)电压明显成两倍关系，对于星形电机绕组，零点是两相通电电压的一半，经过电压比较给出零点信号到单片机，收到信号后再在程序中进行换相处理，以确保电机正常运行。LM339的出端信号就是所谓的电机转子位置信号，相当于传感器信号，实质上是发出换相通知。