基于微控制器实现无传感器BLDC电机平顺快速启动的设计浅析.doc
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1、基于微控制器实现无传感器BLDC电机平顺快速启动的设计浅析低噪音且高耐用性的无刷直流电机广泛用于许多领域,包含工业应用、汽车及家庭。本文说明借由使用微控制器侦测转子初始位置以进行电机控制的方法,对此等电机的控制非常有帮助。此方法解决许多容易发生在无传感器电机上的各种问题,借由平顺且快速的高扭力启动,实现极致高效系统。使用无刷直流电机时,设计师有多种控制原则可选择。为保持低成本,通常会省略检测转子位置的传感器(无传感器原则),而采用另一种方法,例如根据电机的反电动势预估位置。但此无法提供电机停止时的转子位置信息,因此无法依据转子位置在启动时控制电机,故可能因启动时非必要的反向旋转等情况,而导致效
2、率降低。纳入初始位置检测功能即可解决此等问题(图1)。本文说明能有效控制无传感器无刷直流电机的初始转子位置检测,透过使用控制电机的微控制器,实现此初始位置检测。借由应用本文所述的方法,可实现无传感器、平顺、快速且高扭力的启动。此技术对于电动工具、输送设备、机器人、水泵、鼓风机等的开发非常有效。解决容易发生在无传感器电机上的启动问题图2说明无刷直流电机控制中初始转子位置的定位技术。可利用如120度传导法(梯形控制)或矢量法(正弦控制)等进行三相无刷直流电机控制。120度传导法每60度切换一次三相激磁模式,在线圈的磁通量与转子永久磁铁之间产生扭力。此方法相当易于实施,因此被广泛使用。另一方面,矢量
3、法将电机的电流值分成精确控制的扭力分量及磁场分量,因而大范围的实现从低速到高速的高效率控制,但此法需要复杂的算术处理,会增加CPU的负荷。不论是120度传导法或矢量法,针对转子位置检测都有感测及无传感器的解决方案。本文仅着重于120度传导法。霍尔传感器(磁性传感器)通常用于使用120度传导法的感检测系统,但这会增加系统成本,而且霍尔传感器也有不耐热的缺点。另一方法,无传感器系统依赖各种与电机旋转有关的现象例如产生的反电动势,以预估转子位置。但这会阻碍电机停止时的转子位置检测,因此无法在电机启动时,根据转子位置进行正确的控制。当应用程序的启动行为没有问题时,可忽略转子位置并执行强制启动,但在以下
4、情况中则不适合:- 应避免启动期间非必要的反向旋转,- 需要快速且平顺的启动,- 应保持启动时低电流消耗。在这些情况下,必须检测初始转子位置以进行适当控制。整合无传感器电机控制需要的所有功能在详细说明实施无传感器初始转子位置检测前,本文将先就设计用于电机控制的微控制器瑞萨RL78/G1F微控制器(以下称G1F)做说明。本产品为瑞萨电子低阶微控制器RL78系列的一部分(参见图3)。此系列中,G1F属于“一般用途”子类(G1x),且包含使RL78/G1F适合电机控制应用的专门特性组合。RL78/G1F与电机控制应用有关的部分功能包括:- 用于电机控制的Timer,支持64MHz芯片上振荡器频率,-
5、 附DAC的高速比较器,用于参考电压,- 高电压转换速率可编程增益放大器 (PGA),- A/D转换器等。利用G1F的周边功能实施无传感器120度传导控制的电路配置如图4所示。16位TImer(TImer RD)产生逆变器控制所需的三相补偿PWM讯号。基于安全考虑,利用可编程增益放大器(PGA)及比较器(CMP0)检测过电流,故可强制关闭PWM讯号,无需CPU介入。利用可选择的4输入比较器(CMP1)及具有输入撷取(捕获)功能的TImer(TImer RX),检测初始转子位置。开始旋转且可取得反电动势后,可利用通过零点 (zero-cross) 检测,决定转子位置。以三相中性点输入为基准,比较
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