電機(jī)在我們?nèi)粘Ｉ钪械膸缀趺總€(gè)部分都發(fā)揮著作用。它們驅(qū)動洗碗機(jī)和洗衣機(jī)，使室內(nèi)變得涼爽，并且對于現(xiàn)代交通工具更是必不可少。無刷直流（BLDC）電 機(jī)已成為許多勻速或變速的高可靠性中高檔系統(tǒng)的選擇。借助幾個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器和一個(gè)控制器，BLDC電機(jī)變得相對容易控制。如今，BLDC電機(jī)系統(tǒng)已十分 常見，但是，大多數(shù)系統(tǒng)仍使用傳感器來控制電機(jī)。為了降低BLDC系統(tǒng)的成本并提高可靠性，許多設(shè)計(jì)人員希望除去傳感器。無傳感器系統(tǒng)已出現(xiàn)相當(dāng)長一段時(shí) 間，但在過去，它們需要昂貴的控制器才能運(yùn)行除去傳感器所需的算法。數(shù)字信號控制器（DSC）（例如 Microchip 的 dsPIC33FJ16MC102，批量訂購時(shí)，單價(jià)僅約1美元）使無傳感器BLDC電機(jī)控制得以大規(guī)模應(yīng)用。
       無傳感器BLDC控制依靠BLDC電機(jī)的特性來計(jì)算轉(zhuǎn)子位置，并在此位置使電機(jī)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間換向。為了解其工作原理，我們回頭看一下BLDC電機(jī)本身以及 基本的傳感器控制。從根本上講，BLDC電機(jī)使用勵(lì)磁線圈（稱為定子）在轉(zhuǎn)子（或軸）上產(chǎn)生平行于線圈軸線的磁場，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。在三相BLDC 電機(jī)中，定子中的三個(gè)線圈（或相）連續(xù)導(dǎo)通和關(guān)斷使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。為使轉(zhuǎn)子保持旋轉(zhuǎn)，必須在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)位置前導(dǎo)通和關(guān)斷相關(guān)相。為了使轉(zhuǎn)子平穩(wěn) 旋轉(zhuǎn)，構(gòu)成電機(jī)的每個(gè)繞組或相都可由多組線圈組成。每相都必須按特定順序?qū)ê完P(guān)斷才能使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子的位置決定了哪相需要導(dǎo)通或關(guān)斷。因此，了解轉(zhuǎn)子 位置對于電機(jī)的運(yùn)行至關(guān)重要，為了使BLDC電機(jī)工作，控制器必須主動導(dǎo)通或關(guān)斷這些相。控制器必須將定子內(nèi)的磁場保持在轉(zhuǎn)子之前，以保持轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。獲取 轉(zhuǎn)子位置的最簡單方法是使用霍爾效應(yīng)傳感器，它們可生成脈沖將轉(zhuǎn)子位置通知給控制器。了解轉(zhuǎn)子位置后，基本BLDC控制器只需查找三個(gè)相的哪種模式對應(yīng)于 轉(zhuǎn)子位置，并將這些相切換到相應(yīng)模式。
       依靠傳感器的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)起來非常容易，但除去傳感器可降低系統(tǒng)成本并提高可靠性。為了理解無傳感器算法如何計(jì)算轉(zhuǎn)子位置，我們進(jìn)一步了解一下BLDC電機(jī)的三個(gè)相。
       在“梯形”控制中，在任何時(shí)刻都是一相被拉為高電平（+VBUS），一相被拉為低電平（-VBUS），第三相不活動。由于每相的波形都像梯形（見圖1）， “梯形”控制因此而得名。當(dāng)轉(zhuǎn)子經(jīng)過某相時(shí)，轉(zhuǎn)子上的永磁在該相感應(yīng)出電流，進(jìn)而產(chǎn)生稱為反電動勢（EMF）的電壓。反電動勢取決于每相繞組的匝數(shù)、轉(zhuǎn)子 的角速度以及轉(zhuǎn)子永磁場的強(qiáng)度。每相的反電動勢波形與轉(zhuǎn)子位置相關(guān)，因此反電動勢可用于確定轉(zhuǎn)子位置。

圖1：BLDC電機(jī)繞組和梯形波形

       有許多不同方法使用反電動勢確定轉(zhuǎn)子位置，其中最常見和最可靠的一種是過零檢測。當(dāng)其中一個(gè)反電動勢信號轉(zhuǎn)換并過零點(diǎn)時(shí)，控制器需要切換相的模式。此過程 稱為換向（見圖2）。為使轉(zhuǎn)子保持向前轉(zhuǎn)動，在發(fā)生過零和換向之間的時(shí)間內(nèi)必須進(jìn)行相移，電機(jī)控制器必須計(jì)算和補(bǔ)償該相移。一種實(shí)現(xiàn)過零的簡單方法是，假 設(shè)每當(dāng)任一相的反電動勢達(dá)到VBUS/2時(shí)就會發(fā)生過零事件。     

圖2：反電動勢過零

       利用幾個(gè)配置為比較器的運(yùn)放，可輕松實(shí)現(xiàn)該方法。但是，該方法中存在幾個(gè)問題。首先，反電動勢通常小于VBUS，因此過零事件不一定發(fā)生在VBUS/2。 此外，每相的特性可能不同，因此一個(gè)相的過零反電動勢電壓可能與其他相的過零反電動勢電壓不同。最后，這個(gè)過于簡單的檢測方法會導(dǎo)致檢測的反電動勢信號出 現(xiàn)正負(fù)相移。
       在實(shí)際電機(jī)中，過零閾值電壓變化很大。幸運(yùn)的是，這個(gè)變化的閾值電壓等于電機(jī)中性點(diǎn)電壓，因?yàn)殡姍C(jī)中性點(diǎn)是全部三相反電動勢的平均值。因此，只要任一相的 反電動勢等于電機(jī)的中性點(diǎn)，就會發(fā)生過零事件且控制器需要換向。這可以通過電阻和運(yùn)放完成，或者使用控制器自身的ADC模塊和軟件實(shí)現(xiàn)。利用可編程控制器 （如dsPIC DSC），每相的反電動勢都可以使用ADC模塊采樣，并且利用三個(gè)反電動勢信號的平均值可輕松使用軟件重建中性點(diǎn)。隨后，軟件可將該值與檢測到的三相的反 電動勢進(jìn)行比較，并檢測過零事件何時(shí)發(fā)生。發(fā)生過零事件后，控制器使電機(jī)換向，然后整個(gè)過程重復(fù)執(zhí)行。因此，通過使用電機(jī)的反電動勢和檢測過零，可從系統(tǒng) 中除去傳感器，同時(shí)保持相同的性能水平。
       在實(shí)際系統(tǒng)中，無傳感器運(yùn)行方式還會遇到其他困難。首先，在低速運(yùn)行時(shí)，反電動勢非常小，很難檢測到。因此，在電機(jī)開始快速旋轉(zhuǎn)，快到產(chǎn)生足夠大的反電動 勢以在無傳感器模式下運(yùn)行前，控制器必須猜測轉(zhuǎn)子位置。可軟件編程的控制器使系統(tǒng)啟動方式可根據(jù)特定應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整，從而減少此問題的影響。另一個(gè)問題是 MOSFET的開關(guān)噪聲。由于MOSFET通過開關(guān)操作來更改每相的電壓，這會將噪聲引入到由控制器ADC模塊檢測的反電動勢中。需要過濾掉這種噪聲，以 精確重建每相的反電動勢。DSC的處理器內(nèi)建DSP引擎，可輕松處理實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波和消除開關(guān)噪聲所需的計(jì)算。其他挑戰(zhàn)來自特定設(shè)計(jì)的特性。但是，使用可軟 件編程的控制器通常會使這些挑戰(zhàn)更容易解決，就像本文提及的兩個(gè)問題的解決方案一樣。
       通過示例進(jìn)行研究和實(shí)驗(yàn)使得學(xué)習(xí)新技術(shù)更為容易。專為無傳感器BLDC控制定制的開發(fā)工具大大簡化了學(xué)習(xí)過程并加快了產(chǎn)品開發(fā)。過去，利用開發(fā)工具學(xué)習(xí)需 要付出昂貴的金錢和時(shí)間成本。市場上的新工具正在改變這一局面。例如Microchip的電機(jī)控制入門工具包，其成本低于100美元，而且包括詳細(xì)的應(yīng)用 筆記、示例軟件和硬件原理圖（見圖3）。電機(jī)控制器供應(yīng)商（包括Microchip）通常會在其網(wǎng)站上提供免費(fèi)的軟件和硬件文件，使學(xué)習(xí)過程更輕松。

圖3：低成本無傳感器BLDC開發(fā)工具包

       總之，無傳感器BLDC控制允許從系統(tǒng)中除去傳感器及相關(guān)接線。利用新的開發(fā)工具和電機(jī)控制器，學(xué)習(xí)如何將無傳感器控制添加到系統(tǒng)中比以往更容易。電機(jī)控 制器供應(yīng)商的應(yīng)用筆記詳細(xì)介紹了無傳感器算法的優(yōu)缺點(diǎn)，并提供示例軟件對理論進(jìn)行補(bǔ)充。過去售價(jià)數(shù)百美元的開發(fā)工具現(xiàn)在不到100美元，而且實(shí)現(xiàn)無傳感器 電機(jī)控制算法所需的硅器件批量訂購時(shí)的單價(jià)現(xiàn)在也僅約1美元。隨著電子電機(jī)市場的持續(xù)增長，對BLDC電機(jī)系統(tǒng)的需求也將增長且成本壓力將上升。無傳感器 技術(shù)正率先滿足這些新需求。