透过反电动势控制无感测器的BLDC马达.doc

无刷 DC (BLDC) 马达诚如其名所示，没有传统马达中容易磨损的电刷，而是用电子控制器取代，进而提升机体可靠度。 此外，BLDC 马达比相同功率输出的有刷马达体型更小、重量更轻，因此非常适合空间狭窄的应用。 　　 由於 BLDC 马达的定子与转子之间并无机械或电气触点，因此需要其他方式指出元件零件的相对位置，以便提升马达控制。 BLDC 马达有两种方式能达到控制，包括采用霍尔传感器以及量测反电动势。 　　 上一篇文章已经探讨霍尔效应传感器架构的控制方式（请参阅 TechZone 的《在BLDC系统中使用回路控制》文章），本文将详述另一个方式：反电动势。 　　 舍弃传感器　 BLDC 马达舍弃传统马达中当作机械性整流子的磨损性元件，因此能提升可靠度。 此外，BLDC 马达提供高扭力／马达尺寸比、快速动态响应，以及几乎无声的操作。 　　 BLDC 马达的定子与转子磁场会以相同频率转动，因此归类为同步装置。 定子由矽钢片组成，采轴向插入，以沿着内围安置偶数的绕组。 转子由永久磁铁搭配二至八个南北极对所组成。 　　 BLDC 马达的电子整流子会依序将定子线圈通电产生转动电场，「拉动」转子随之转动。 确保精准地在正确时间将线圈通电，就可达到高效率操作。 　 传感器虽然运作良好，但会增加成本、提高复杂性（因有额外绕组），并且会降低可靠性（部分原因是传感器的连接器容易沾染灰尘与受潮）。 无传感器的控制方式就能消除这些缺点。 反电动势的优势　　 电子马达的绕组就像发电机，会切开磁力线。 绕组会产生电位，测量单位为伏特，并称为电动势 (EMF)。 根据冷次定律，此电动势会提升次级磁场，抗拒磁通量原有的变动，进而驱使马达转动。 简单而言，此电动势会抵挡马达的自然运动，因此称为「反」电动势。 针对固定磁通量与绕组数量的马达，EMF 的幅度会跟转子的角速度成比例。 　　 BLDC 马达制造商会提供「反电动势常数」参数，能用来评估指定速度的反电动势。 绕组的电位计算方法是将电源电压减去反电动势值。 马达在额定速度下运作时，反电动势与电源电压之间的电位差会导致马达引出额定电流并供应额定扭力。 　　 当马达的驱动速度超过额定速度时，会大幅提升反电动势，降低绕组之间的电位差，因此会减少电流且降低扭力。 若进一步加速马达，则会导致反电动势（以及马达损耗）与电源电压完全相等，此时电流与扭力将同时为零。 　　 由於反电动势会降低马达扭力，有时会被视为缺点。然而，在 BLDC 马达中，工程人员则能将此现象转化为优势。 　　 将绕组之一通电为正极、第二个为负极，第三个则保持开路，即可达到三相 BLDC 马达各个阶段的整流顺序。 图 1 显示此类马达六阶段整流顺序的第一阶段简化电路图。 　　 　　Microchip BLDC 马达的六阶段电气周期　　 　　图 1：BLDC 马达六阶段电气周期的第一阶段。 线圈 A 会通电成正极、B 为开路、C 通电成负极（资料来源：Microchip）。 　　 采用霍尔传感器的 BLDC 马达使用来自装置（由 MCU 进行控制，由驱动器进行操作）的输出，切换绝缘闸双极电晶体 (IGBT) 或金属氧化物半导体场效电晶体 (MOSFET)，以便依据正确顺序将线圈通电。 霍尔传感器输出改变状态时1，电晶体会触发（且线圈会通电）。 　　 在无传感器的 BLDC 马达型号中，则无霍尔效应传感器。 相反地，在马达转动时，三个线圈的反电动势会随着梯形波形（长虚线）变动，如图 2 所示。 为了进行比较，此同一图表亦显示类似配置之马达的霍尔传感器输出。 　　 　　Microchip 霍尔传感器输出与反电动势的比较　 图 2：三相 BLDC 马达霍尔传感器输出与反电动势的比较。 请注意，霍尔传感器输出的切换点，恰巧与无传感器马达中相对应线圈的反电动势通过零点时吻合（资料来源：Microchip）。 　　 线圈的全部三个零交叉点组合将用来决定线圈的通电顺序。 请注意，传统 BLDC 马达的个别霍尔传感器输出变化与无传感器 BLDC 马达个别线圈的反电动势零交叉点之间的相位差为 30 度。 因此，在无传感器马达控制电路中，侦测到零交叉点後，会先在韧体内建 30 度相位延迟，然後才会启动通电顺序的下一个动作。 在图 2 中，短虚线代表线圈的电流。 　　 图 3 显示无传感器三相 BLDC 马达的控制电路。 在此图例中，电路采用 Microchip 的 PIC18FXX31 8 位元 MCU 产生脉宽调变 (PWM) 输出，以便触发位於三相变频桥接器中的 IGBT 或 MOSFET。 MCU 会对反电动势零交叉侦测电路的输入进行回应。 　　 　　Microchip 的控制电路　　 　　图 3：无传感器三相 BLDC 马达的控制电路。 侦测反电动势的方