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应用微控制器阻拦无传感器初始职位侦测完成无传感器BLDC电机平顺快速启动

宣布时间:2019年03月06日 11:03    宣布者:eechina
要害词: 无传感器 , BLDC , 刷直流电机 , 电机控制
低噪音且高耐用性的无刷直流电机普遍用于许多领域,网罗工业应用、汽车及家庭。本文诠释藉由应用微控制器侦测转子初始职位以阻拦电机控制的措施,对此等电机的控制异常有赞助。此措施处置赏罚赏罚许多容易发生在无传感器电机上的种种效果,藉由平顺且快速的高扭力启动,完成极致高效系统。

应用无刷直流电机时,设计师有多种控制准绳可选择。为保持低资源,通常会省略检测转子职位的传感器(无传感器准绳),而接纳此外一种措施,例如凭证电机的反电动势预估职位。但此没法供应电机阻拦时的转子职位信息,是以没法凭证转子职位在启动时控制电机,故能够因启动时非须要的反向改变等情形,而招致效力降低。归入初始职位检测功效便可处置赏罚赏罚此等效果(图1)。

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图1、推敲无传感器无刷直流电机

本文诠释能有用控制无传感器无刷直流电机的初始转子职位检测,透过应用控制电机的微控制器,完成此初始职位检测。藉由应用本文所述的措施,可完成无传感器、平顺、快速且高扭力的启动。此手艺关于电动工具、保送装备、机械人、水泵、鼓风机等的开发异常有用。

处置赏罚赏罚容易发生在无传感器电机上的启动效果

图2诠释无刷直流电机控制中初始转子职位的定位手艺。

可应用如120度传导法(梯形控制)或矢量法(正弦控制)等阻拦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形式,在线圈的磁通量与转子永世磁铁之间发生扭力。此措施相当易于实验,是以被普遍应用。此外一方面,矢量法将电机的电流值分红准确控制的扭力重量及磁场重量,是以年夜规模的完成从低速到高速的高效力控制,但此法须要严重年夜的算术处置赏罚赏罚,会增添CPU的负荷。


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图2、应用于无刷直流电机的手艺

岂论是120度传导法或矢量法,针对转子职位检测都有感测及无传感器的处置赏罚赏罚妄图。本文仅着重于120度传导法。霍尔传感器(磁性传感器)通常用于应用120度传导法的感检测系统,但这会增添系统资源,而且霍尔传感器也有不耐热的弱点。

此外一措施,无传感器系统依附种种与电机改变有关的情形例如发生的反电动势,以预估转子职位。但这会误差电机阻拦时的转子职位检测,是以没法在电机启动时,凭证转子职位阻拦准确的控制。当应用法式模范模范的启动行动没有用果时,可忽视转子职位并推行强迫启动,但在以下情形中则不合适:

-        应防止启动时代非须要的反向改变,
-        须要快速且平顺的启动,
-        应保持启动时低电流消耗。

在这些情形下,必须检测初始转子职位以阻拦适当控制。

整合无传感器电机控制须要的所有功效

在详细诠释实验无传感器初始转子职位检测前,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)做诠释。本产物为瑞萨电子低阶微控制器RL78系列的一部门(参见图3)。此系列中,G1F属于「浅易用处」子类(G1x),且网罗使RL78/G1F合适电机控制应用的专门特点组合。RL78/G1F与电机控制应用有关的部门功效网罗:

-        用于电机控制的Timer,支持64MHz芯片上振荡器频率,
-        附DAC的高速较量器,用于参考电压
-        高电压转换速率可编程增益镌汰年夜器 (PGA),
-        A/D转换器等。

应用G1F的周边功效实验无传感器120度传导控制的电路装备如图4所示。16位Timer(Timer RD)发生逆变器控制所需的三相赔偿PWM讯号。基于安然推敲,应用可编程增益镌汰年夜器(PGA)及较量器(CMP0)检测过电流,故可强迫关闭PWM讯号,无需CPU加入。

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图3、RL78系列妄图

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图4、无传感器120度传导控制之电路装备

应用可选择的4输入较量器(CMP1)及具有输入撷取(捕捉)功效的Timer(Timer RX),检测初始转子职位。泉源改变且可取得反电动势后,可应用经由历程零点 (zero-cross) 检测,决议转子职位。以三相中性点输入为基准,较量器阻拦经由历程零点检测。或许亦可应用10位A/D转器(ADC)取得数值并阻拦经由历程零点检测。应用较量器的第一种措施合适高准确度及高速率操作,而应用A/D转换器的第二种措施(很是较器)较合适中/低速应用。

联络两种处置赏罚赏罚法式模范以延伸检测时间

无传感器初始转子职位检测网罗以下两个处置赏罚赏罚法式模范。

  法式模范1:在180度以内的职位检测
  法式模范2:极性检测

法式模范1系以三相电机端子之间的电感会因转子职位(变换)而有所不合的现实(参见图8)。电感差异会影响下游端子(此例中即为MCU示波器)的电压上升行动,而此为检测的基础。此法式模范决议磁铁沿三个相位(U、V及W)之一的偏向,但还没有决议极性(北或南),由于类似的变换会在所有360度电气角度规模内重复两个周期。

而法式模范2接纳的现实则是电机永世磁铁发生的磁通量与电流通过线圈发生的磁通量之影响会招致线圈铁芯质料磁饱和,而使电流更容易运动。是以能识别永世磁铁的磁极偏向。结正当式1和法式模范2的效果,便可检测所有360度规模内的转子职位。

不合的电机类型会有一定的差异,但处置赏罚赏罚法式模范1时的目的电流异常小,且量测只须要几毫秒的时间。相对而言,法式模范2则要搪塞相对较年夜的电流,且量测时间则增添约100倍。

现实上,纵然只对三相推行处置赏罚赏罚法式模范2(三次),仍能以60度的分辨率检测到转子的初始职位。但此牵涉到较长的处置赏罚赏罚时间而且必须面临较高的电流。故本文所述的地方理妄图旨在藉由整合处置赏罚赏罚法式模范1和2,完成更高的效力。

处置赏罚赏罚法式模范1:藉由较量相位之间的电压上升行动阻拦评价

180度以内的职位检测法式模范模范诠释以下。应用的G1F周边功效装备如图5所示。

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图5、处置赏罚赏罚法式模范1电路装备(180度以内之职位检测)

首先,在U相上施加电源电压,并量测V相电压 (VUV) 到达门槛(槛)参考电压 (VREF1) 时经由的时间。此法式模范模范的操作原理如图6所示。将VUV及VREF1相电压检测输入传送至较量器 (CMP1) 阻拦婚配检测,并应用Timer RX的计数器值决议当VUV与VREF1切合的时间。Timer RX泉源计数,与Timer RD的PWM输入同步,并与CMP1同步捕捉计数值。

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图6、施加U → V电压并量测到达较量参考电压的时间

划分针对所有三个通道U → V、V → W及W → U推行本法式模范模范,并凭证以下尺度决议转子沿三个轴的职位:

若tUV > tVW 及 tWU,则转子的磁极偏向为沿W轴偏向(参见图7)。

CMP1最多可应用四个切换外部输入,阻拦婚配较量。由于上述操作应用其中三个输入,故可应用时间量测值到达可重复的效果。

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图7、凭证U → V、V → W及W → U的量测时间检测转子职位

由于永世磁铁磁场的效应,照顾相位端子之间的电感会随转子职位而改变,而此效应的年夜小亦会以类似的趋势改变Timer RX的计数值。举例来讲,假定端子间电感、转子职位及Timer RX计数值的变换如图8所示,则可应用发生的图形决议转子职位。以图7为例,在图8中,电气角度60度及240度时会培植 tUV > tVW ≒ tWU 关系。由于此变换在所有360度规模内重复两次,故在随便任性点上没法断定两个角度(相差180度)中的哪个是准确的。

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图8、端子间的电感变换取决于转子职位与Timer RX计数值

端子之间的电感及随转子职位之变换会因电机而有所差异。此外,输入至CMP1的相电压行动不只遭到电机电感的影响,亦会遭到逆变器电路的影响。是以,用户须要先凭证转子职位评价Timer RX计数值的变换并设定CMP1的较量参考电压。
处置赏罚赏罚法式模范2:较量并联电压行动以阻拦比评价

本节诠释用于极性检测的第二个处置赏罚赏罚法式模范。应用的G1F周边功效装备如图9所示。由于此法式模范模范以电机电流作为微控制器的输入电压,故须要分流电阻。此输入可用于改变时的过电流检测。

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图9、处置赏罚赏罚法式模范2(极性检测)电路装备

凭证处置赏罚赏罚法式模范1的效果,可识别磁铁指向偏向的相位。此法式模范中,在绕组+ve(一相)及–ve(两相)之间施加特定电流,一连结实的时间 (tCONST)。 应用可编程增益镌汰年夜器 (PGA) 镌汰年夜该点(电流检测输入)的并联电压,并以A/D转换器 (ADC) 量测。图10上方电路(白色讯号蹊径)显示当电流从W流向U及V时的讯号。

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图10、W → U、V电流及U、V → W电流时的并联电压量测

接着,让电流以反向运动类似的时间 (tCONST),并阻拦异常的并联电压量测。图10下方电路(蓝色讯号蹊径)显示当电流从U及V流向W时的讯号。

可应用这两个量测值间的年夜小关系决议永世磁铁的磁通量偏向。在图11的例子中,当电流从W流向U及V时的电流值 (IW+) 年夜于电流反向运动时的电流值 (IW-)。是以,可剖断转子偏向为W相磁通量增强的偏向(电流从W到U的磁通量偏向,V与永世磁铁的磁通量偏向类似)

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图11、转子极性评价电流(并联电压)

凭证处置赏罚赏罚法式模范1和2的效果,可决议转子初始职位。

更多信息请会见瑞萨电子网站

瑞萨电子网站供应本文所述初始转子职位检测措施的详细信息,网罗应用诠释、法式模范模范代码尺度、树范影片等。影片供应亲眼证实电机启动行动若何因有/没有初始职位检测而改变。如需更多信息,请应用以下URL贯串毗连。

•        初始职位检测树范影片:
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•        应用诠释:
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•        法式模范模范代码尺度:

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