本期速覽

在第四季 第九話“常用的電機(jī)分類以及控制方法”的小課堂結(jié)尾，我們給大家留了個新的問題:

BLDC根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置進(jìn)行換向控制，而轉(zhuǎn)子位置要靠位置傳感器獲取，那么這期就為大家介紹BLDC的無位置傳感器控制方式。

01為什么需要無位置傳感器控制？

在工業(yè)生產(chǎn)中，我們會根據(jù)應(yīng)用場景的不同，選擇合適的轉(zhuǎn)子位置傳感器。對于高精度的伺服應(yīng)用，比如工業(yè)機(jī)械手臂，需要采用高分辨率的光電編碼器，或者由檢測磁場變化的磁編碼器，而對于要求較低的應(yīng)用，比如工業(yè)風(fēng)扇，考慮到傳感器的成本，一般采用霍爾位置傳感器就足夠了。

圖1：不同應(yīng)用場景適合的位置傳感器

霍爾位置傳感器的尺寸小，價格廉宜，操作穩(wěn)定而且安裝方便，利用霍爾傳感器在一個電氣周期內(nèi)提供的六個轉(zhuǎn)子位置，作為換相信號，控制MOSFET管的通斷，就可以實現(xiàn)之前視頻提到的六步法轉(zhuǎn)BLDC。

但位置傳感器的存在會增加電機(jī)的體積和成本，限制系統(tǒng)的尺寸，在惡劣的工況下，位置傳感器有失效風(fēng)險，會降低系統(tǒng)可靠性。

既然位置傳感器應(yīng)用有限，那是不是能夠用其他位置檢測的方式代替，進(jìn)一步拓展無刷直流電機(jī)的應(yīng)用場合呢？

就這樣，無位置傳感器控制應(yīng)運而生??！

023 大核心控制算法拆解

無位置傳感器控制的核心就是轉(zhuǎn)子位置估算策略，目前常用的BLDC無位置傳感器控制算法主要分為以下三種：

第一種常見的就是反電動勢過零檢測法，由方波驅(qū)動的BLDC在電機(jī)旋轉(zhuǎn)時，由于對轉(zhuǎn)子磁場磁感線的切割作用，定子繞組內(nèi)會形成反電動勢（Back Electromotive Force，BEMF）

由相反電動勢過零點和電機(jī)換相點的位置關(guān)系可以看出，相反電勢的過零點再延遲30°電角度就是電機(jī)的換相點S，所以只要檢測到相反電動勢的過零點，便可以得到6個離散的轉(zhuǎn)子位置信號。

圖2：反電動勢過零檢測法方波示意圖

反電動勢法原理簡單，易于實現(xiàn)，但是在靜止和低速狀態(tài)下存在反電動勢難以測量、實際反電動勢波形不理想和高頻信號干擾等問題，需要設(shè)計合適的檢測電路和控制策略來獲取電機(jī)繞組的反電動勢信號。

第二種常見的無位置控制算法就是磁鏈法，它主要通過檢測BLDC定子繞組中的電流和電壓信號計算磁鏈，再根據(jù)磁鏈與轉(zhuǎn)子位置關(guān)系間接得到電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置。

由電機(jī)學(xué)知識可以知道，這是定子相繞組的磁鏈ψ與轉(zhuǎn)子位置關(guān)系θ公式：

而電機(jī)的反電動勢與永磁磁鏈也有關(guān)系：

通過這些公式可以得到兩相繞組的磁鏈之差與電機(jī)換相點之間的關(guān)系，我們以A相為例，檢測到B、C兩相繞組的磁鏈之差的過零點延遲30°電角度就是電機(jī)A相的換相點。

圖3：磁鏈法方波示意圖

磁鏈法也是間接計算轉(zhuǎn)子位置，但是磁鏈幅値不受電機(jī)轉(zhuǎn)速影響，因此適用于整個速度范圍，具有更強(qiáng)的適應(yīng)性，但還是需要靠其他方式起動電機(jī)，而且計算結(jié)果易受電機(jī)參數(shù)變化的影響，應(yīng)用同樣受到限制。

第三種常見控制是采用狀態(tài)觀測器法檢測轉(zhuǎn)子位置，它的基本控制思路就是以定子電流 (iA IB IC)、母線電壓（Udc）、電機(jī)參數(shù) (定子電阻、定子電感。。) 等為狀態(tài)變量，在電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立轉(zhuǎn)子位置的觀測模型。

圖4：觀測模型示意圖

常見的方式是反電動勢或磁鏈觀測器，通過提取反電動勢或磁鏈中包含連續(xù)轉(zhuǎn)速或位置信息 ，實現(xiàn)BLDC的無位置控制，但是在零速、低速范圍內(nèi)穩(wěn)定性較差，還有可能完全失效。

實際應(yīng)用中，可以用卡爾曼濾波器、滑模觀測器、自適應(yīng)觀測器改變算法結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)更加有效的轉(zhuǎn)子位置檢測。

狀態(tài)觀測器法抗干擾能力強(qiáng)，在高速、重載等情況下控制效果也較好，并且能夠檢測到任意時刻的轉(zhuǎn)子位置信息，但是由于狀態(tài)觀測器法需要不斷地計算系統(tǒng)狀態(tài)變量，所以要求控制芯片有較高的運算速度。

03MPS 最新方案：MP6636 專用芯片

在BLDC無位置控制中，將無位置控制技術(shù)集成化、芯片化成為新的趨勢，MPS最新推出針對三相BLDC無位置傳感器控制的專用芯片——MP6636。

相比于反電勢過零檢測得到六個離散的轉(zhuǎn)子位置信號，MP6636能夠檢測任意時刻的轉(zhuǎn)子位置信號，采用FOC控制，保證電機(jī)在轉(zhuǎn)動過程中力矩始終恒定，相比于6步換向控制，電機(jī)運轉(zhuǎn)更平穩(wěn)。

圖5：三相BLDC無位置傳感器控制芯片MP6636