其利天下技术-无刷电机六步换相法

换相的时机只取决于转子的位置，一种比较简单的方式是用光电编码盘充当位置传感器，这个东西在工业上用得比较多。

 

其次是用霍尔效应器件来充当位置传感器，其可以根据转子不同位置时的不同磁场方向分布情况，给出高电平或低电平的输出，一般在电机的不同位置上装三个霍尔传感器，就可测出转子的位置。这就是所谓的“有感无刷电机”。值得一提的是，车模和船模中的电调多是使用“有感”方式，因为其电机需要频繁启动、停止、反转，而且对整套动力系统的重量也不是十分讲究，故用有感无刷电机电调是比较合适的。无感的方式则是省去位置传感器，利用某时刻没通电的第三相的反电动势来估测转子的位置。这使整套系统分量更轻，结构更简单。其缺点在于启动比较麻烦，启动的时候可控性较差，要达到一定转速后才变得可控。

无感换相基本原理

那无感换相如何根据第三相的反电动势来估测转子的位置？如图3-1，在AB通电期间，线圈CC’的C边在图(a)中切割N极的磁力线并产生一个正向的感生电动势，在图(b)中确是切割S极的磁力线而产生一个反向的感生电动势了。C’边的情况也类似。这说明，在AB相通电期间，如果去测量线圈 CC’上的电压，会发现其间有一个从正到负的变化过程。于此类似，其余通电情况也可以用这个办法分析。

图3-1

那无感换相如何根据第三相的反电动势来估测转子的位置？如图3-1，在AB通电期间，线圈CC’的C边在图(a)中切割N极的磁力线并产生一个正向的感生电动势，在图(b)中确是切割S极的磁力线而产生一个反向的感生电动势了。C’边的情况也类似。这说明，在AB相通电期间，如果去测量线圈 CC’上的电压，会发现其间有一个从正到负的变化过程。于此类似，其余通电情况也可以用这个办法分析。

图3-2

在AB相通电期间，CC’的感生电动势会整个换一个方向，也即所谓的“过零点”。在图3-2的t0时刻，为AB相通电刚开始时的情况，CC’产生的感生电动势的等效电路图如图3-3 (a)所示。而在t1时刻，为AB相通电快结束时的情况，CC’产生的感生电动势的等效电路图如图3-3(b)所示。

图3-3

这里需要说明一下的是，在AB相通电期间，不只是线圈CC’上产生感生电动势，其实AA’和 BB’也在切割磁力线，也都会产生感生电动势，其电动势方向与外加的电源方向相反，所以叫“反向感生电动势”（BEMF）。线圈绕组AA’和BB’上产生的反电动势是很大的，两者相加几乎略小于电源电压（假设为12V）。线圈绕组本身的等效电阻很小（约0.1欧左右），如果反电动势不大的话，端电压加载在线圈绕组等效电阻上，会产生巨大的电流，线圈非烧掉不可。为方便理解，姑且假设在额定转速下AA’和BB’各产生5.7V的反电动势，那么它们串联起来就产生11.4V的反电动势，那么施加在等效电阻上的电压就为(12-11.4)=0.6V，最终通过绕组AB的电流就是0.6 /(2* 0.1)=3A。同理，由于各绕组的结构是相同的，切割磁力线的速度也是相同的，所以线圈CC’也应该会产生一个大小约为5.7V的感生电动势。由于中点电势值始终为6V，CC’的线圈产生的感生电动势只能在以中点6V电势为基准点的基础上叠加，仍旧假设在额定转速下CC’上会产生5.7V的感生电动势，那么在t0时刻，如果去测量C点的电压，其值应为6+5.7=11.7V；在t1时刻，C点的电压值应为6-5.7=0.3V。也就是说，在AB相通电期间，只要一直监测电机的C相引线的电压，一旦监测到低于中点电压，就说明转子已转过30°到达了t0和t1中间的位置，只要再等30°就可以换相了。如果电调的MCU足够快的话，可以采用连续AD采样的方式来测量C相电压，不过会浪费CPU资源，因为大部分采到的AD值都是没用的，我们只关心它什么时候低于中点电压。可以使用一个模拟比较器来监测过零信号。一旦C相输出电压低于中点电压，比较器马上可以感知并在输出端给出一个下降沿。同理，当电机处于AC相通电时，监测的是B相输出电压；当电机处于BC相通电时，监测的是A相输出电压。继续往前，当电机开始进入BA 相通电时，C相输出电压一开始会处于一个较低的状态，过零事件发生时，C相输出电压会超过中点电压，这时比较器会感知并输出一个上升沿。接下来的CA，CB相通电情况也类似，不再赘述。

延迟换相

根据前文所述知道在C相的过零点，转子只转过30°，还需要再转30°才可换相，那怎么知道转动余下的30°需要多少时间呢？一种比较简单的做法是近似认为转子转速在这 0°~60°的小范围区间内基本是恒定的：从AB相开始通电到检测出C相过零点的前半段时间，基本等于后半段的时间。所以只要使用定时器计数前半段的时间间隔T1，等过零事件出现后再等待相同的时间再换相即可。当然，更直接的方法是监测到过零点后不延迟30°，而是直接换相。这种方法当然也可行，但是会损失一点效率，且同等情况下转矩也会减小。

 

消磁现象

在实际换相过程中，例如AB相切换到AC相的过程中，由B相电流突然减小（不会突然消失，续流一段时间直到自身能量耗尽），其线圈的自身电感会在续流期间，成为一个电动势产生者，而且方向和原来相反，并叠加在中点之上。如图3-4，此时B端电位是高于中点电位。注意(a)图中B线圈的感生电动势是导体切割磁力线产生的，而(b)图中的续流电动势是B线圈自身的电感产生的（其大小要高于切割磁力线的感生电动势大小）。

 

当B线圈能量耗尽后，切割磁力线的行为再次成为主导B相感生电动势的主要因素，所以B端电位此时又会低于中点电位，这就是所谓的“消磁现象”。如图3-5即为换相时出现的消磁现象。 

图3-4

当B线圈能量耗尽后，切割磁力线的行为再次成为主导B相感生电动势的主要因素，所以B端电位此时又会低于中点电位，这就是所谓的“消磁现象”。如图3-5即为换相时出现的消磁现象。 

图3-5

由于消磁事件的存在，B端会在AC相通电期间，产生两次上冲过零事件（也即模拟比较器会捕捉到两次过零信号），前一次是无效的，后一次才是有效的过零信号。软件上可通过以下策略滤除消磁现象的干扰，在比较器捕捉到过零信号后，检查当前距离上一次换相的时间是否大于延迟换相的时间，大于则为有效过零信号，小于则为消磁现象引发的过零。

 

六臂全桥MOS驱动电路 

图3-6

图3-6为六臂全桥MOS驱动电路简图。Q1到 Q6为功率场效应管，当需要AB相导通时，只需要打开Q1,Q4管，而使其他管保持截止。此时，电流的流经途径为：正极→Q1→线圈A→绕组B→Q4→负极。这样，六种相位导通模式：AB, AC, BC,BA,CA,CB分别对应的场效应管打开顺序为Q1Q4,Q2Q2, Q3Q2,Q3Q6,Q5Q6,Q5Q4。实际控制中，通常将上臂或者下臂常开，另一臂通入PWM信号进行控制。BLDC的调速就是用PWM信号的占空比进行调制。

 

反电动势过零检测电路 

PHASE_A,PHASE_B,PHASE_C 分别接电机的A,B,C线，经过一个分压网络后分别为NULL_A,NULL_B,NULL_C，MITTEL为估测的变形后的中点电压。只要在AB通电期间将NULL_C和MITTEL比较；AC通电期间将NULL_B和MITTLE比较；BC通电期间将NULL_A和MITTLE比较，就可以成功检测出各相的过零事件。由于这三个过零事件产生的时间不同，如果能在比较器的输入端不断地切换这三个端点电压，只要复用单个比较器就可以。

图3-7

制动策略 

通常利用电机自身进行快速制动有两种简单的办法，一种是能耗制动，一种是短接制动，能耗制动是把电机的动能消耗在外部制动电阻上，短接制动是把电机的动能消耗在电机的定子绕组上。显然能耗制动对于减少电机发热更加有利。

短接制动是指在刹车时能做到让电机的驱动MOS管上桥臂（或者下桥臂）全部导通而下桥臂（或者上桥臂）截止状态，电机的三相定子绕组全部被短接。处于发电状态的电机，相当于电源被短路。因为绕组的电阻比较小，所以能产生很大的短路电流，电机的动能被快速释放，从而使电机瞬时产生极大的制动力矩，能够达到快速刹车的效果。电机速度越高，短路电流越大，制动力也越大。

短接制动在广义上也是能耗制动，

只是一般的能耗制动用的外接的耗能电阻，在超大功率场合应用。中小功率都可以使用短接制动，使用Rs能耗制动。

考虑不能超过MOS管的承受能力，一般等待电机降低低速后再使用短接制动。实际设计时，考虑导通桥臂带有PWM控制，这样还可以对刹车力度进行适当调节。为了避免在电机高速时产生过大的短路电流，一般开始短接制动时PWM占空比不要超过30%。当电机速度降低为低速时，加大制动力矩，即使采用100%的占空比对于MOS管也是安全的。

 

其利天下驱动方案

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