代码收藏家技术教程 2023-03-29

【2022项目回顾】设计无位置传感器的无刷直流电机驱动方案

概述

无位置传感器的无刷直流电机驱动设计是我的本科毕业论文课题，主要还是去查阅资料，学习相关知识，然后自己设计驱动，努力复现一下。

BLDC发展

历史

无刷直流电机是从有刷直流电机的应用基础上发展而来的，它的英文是Brushless DC Motor。一般的，有刷直流电机的定子上装有固定的磁极来产生固定磁场，还装有电刷，用来与转子的换向器接触，其转子上装有电枢绕组和换向器。

在1917年，Boliger就提出过一种新的电机换向方法，就是改用整流管实现换相，这种方式去掉了电刷，提出了无刷直流电机的概念。但在当时，没有理想的电子元器件实现换相，因此无刷直流电机的发展仅仅停留在概念阶段。1955年，美国的D. Harrison等人第一次申请了使用晶体管换向电路代替有刷直流电机机械电刷的专利，从此标志着现代无刷电机的诞生。在1978年，德国的的公司正式推出了MAC无刷直流电机，这标志着无刷直流电机进入大规模商用阶段。

无刷直流电机在一定程度上弥补了传统有刷直流电机的缺点，最显著的一点就是无刷直流电机用传感器与电子换向电路取代了有刷直流电机上的电刷和换相器。因此无刷直流电机不仅拥有传统直流电机的优点，在电机结构、调速范围、转差性能、寿命与维护等方面也要优于传统直流电机。无刷直流电机的诞生与商用掀起了一场设备更新潮，它的各种优点使其在目前工业领域内成为重要的运动部件，小到四旋翼无人机的电机、电动自行车的动力轮，大到医疗设备、航空航天设备等。当然关于它的各种研究和改进也在不断进行。

现状

无刷直流电机取消了电刷和换向器，从而失去了机械的磁场换向机构，磁场换向通过传感器检测转子位置，利用转子的位置信息来控制由开关电子器件构成的换向电路来达到磁场换向的目的。在无刷直流电机发展伊始，工程师们使用模拟电路来检测转子位置和控制开关器件。随着数字信号处理器、永磁材料和电力电子器件技术的飞速发展，无刷直流电机技术向数字化，智能化迈进。

在现阶段的无刷直流电机的设计中，一款优秀的驱动器设计是十分重要的。驱动器需要正确检测到转子位置信息，而且需要可靠的控制算法来控制功率器件的开通和关断，从而实现精度高、稳定性强的控制效果。

目前，无刷直流电机的主要控制方法有：PID控制、模糊控制、滑模变结构控制、基于神经网络的控制、基于锁相环的控制等。PID控制中P是指比例，I是指积分，D是指微分。通过调整这三个参数，来实现在不同运动状态下生成不同的控制量，来控制对象来达到理想的运动状态。但是由于只有三个可调参数使得控制精度不够，所以导致其在一些需要精密控制的领域不能发挥作用。模糊控制和滑模变结构控制都是非线性的控制方式，模糊控制是运用模糊数学的理论来对一些变量比较多的复杂系统来进行控制，滑模变结构控制是让控制对象在不同的控制逻辑下来回切换，由于此时处于滑动运动状态，对未知干扰的敏感降低，使系统有比较好鲁棒性。其余的控制方式各有特点，在特定领域能对无刷直流电机有良好的控制。

在位置检测领域，一般就有位置传感器检测法和无位置传感器检测法。位置传感器有电磁式的，可以安装在定子组件上，来检测转子永磁体转动，通过磁场的变化记录转子位置信息，也有光电式的，将光源和接收器安装在定子组件上，转子上安装遮光板，当转子转动时，接收器产生的脉冲信号则是转子位置信息。无位置传感器检测法有一种H. Lehuy等人提出的反电动势检测法，这种方法不需要在电机内安装位置传感器，简化了系统的结构。还有一些学者提出过续流二极管法和基于定子磁链估计法等无位置传感器检测法。

未来前景

首先，无位置传感器的无刷直流电机相比较于普通的有传感器（光电式、电磁式、霍尔式）的无刷直流电机，有以下的优势：
① 没有传感器占用空间，可以把电机做得更小，也因为没有传感器，结构简单，便于维护；
② 位置传感器增加了电机系统得惯量，进而影响了整个系统的响应性能；
③ 位置传感器中的信号传输一般来说频率较高，容易受到外界干扰，不适宜在强电磁干扰环境下工作。
所以无位置传感器的无刷直流电机更适合做成小型的，可以在强干扰环境下完成工作的特种电机。但是由于实现无位置传感器需要使用到反电势检测法，但其在中、低速情况下性能不佳，所以这种电机最好制作成高速电机。
其次，无位置传感器的无刷直流电机（BLDC）相比于无位置传感器的永磁同步电机（PMSM）也有不少区别。

PMSM是使用正弦波调制，控制算法比较精细，适合中低速，大转矩的精确控制，但由于高速之后的载波比降低会带来的电流采样以及离散化等等的一些问题，所以需要硬件成本较高。由于BLDC是方波调制，调制方式和之后的控制算法均比较简单，虽然在中低速以及精确控制方面比不上PMSM，但比较适合高速旋转、小功率小型化、低成本的电机需求情况。
综上所述，无位置传感器的无刷直流电机在未来会向高转速、功率小的小型特种电机方向去发展。当然，通过算法的不断改进和优化，未来的BLDC也会有比较好的中低转速性能和比较好的精确性。

工作原理

BLDC结构

一般来说，有刷直流电机的转子是电枢，磁极则贴在定子上，提供恒定的磁场。无刷直流电机则与其不同，即转子上贴有磁极，定子上安放电枢。根据不同的结构，无刷直流电机一般分为内转子无刷电机和外转子无刷电机。本文使用的是一款外转子无刷电机。

逆变器功率模块可以采用全桥式也可以采用半桥式。虽然半桥式结构比较简单，但是会产生比较大的波动，扰乱原本的控制逻辑，故本文采用全桥式逆变电路。对于三相全桥逆变电路来说，一般有二二导通的控制方式和三三导通的控制方式。在本文中采用的是二二导通的控制方式。

无刷直流电机的工作原理从本质来说还是依靠电枢磁场与永磁体产生的固定磁场之间互相作用产生的电磁力，来生成电磁转矩，来驱动无刷直流电机转子转动。其中，电机的定子绕组为三相星形，本文驱动的是一款4对极的外转子的无刷直流电机，外转子上共有8块永磁体贴片。

六步法

六步法中的三相电机每次只有两组绕组有电流通过，产生磁场。为了让电机旋转，一般按照Q1Q2—Q2Q3—Q3Q4—Q4Q5—Q5Q6—Q6Q1的顺序依次导通功率开关管。

如图2-4，此为无刷直流电机在状态①时转子旋转始末位置的示意图。当Q1和Q2导通时，电流从Q1流入A相，又由于X、Y、Z为星型连接的中性点O，B相所属的上下管Q3和Q6均为关闭状态，所以电流只能由X流入Z进入C相，再由C流出，经Q2入地。此时由A相和C相合成的总磁场相当于一块N极在Y处，S极在B处的磁铁，在图中央的永磁转子会受到其的斥力，从图（a）处顺时针旋转60度到达图（b）所示的位置，在这时，开关管就需要进入下一个状态，Q2Q3导通。

由Q1Q2导通变到Q2Q3导通，其实就是让电流从B处流入B相，再由Y处流入C相，而不再是让A相通电。这时，相较于状态①，在状态②时线圈产生的磁场顺时针旋转了60°，这样就会产生如状态①初始位置时一样大的电磁转矩，促使永磁转子继续旋转。如图2-5，转子就会从图（a）处顺时针旋转60°到图（b）处，与状态①的结束时刻一样，这时需要改变开关管的通断，由Q2Q3导通变为Q3Q4导通。

之后的转子就按照这样的逻辑一步一步地每次60°地旋转，直到回到状态①，就继续循环，这样电机就会一直旋转下去。如图2-6，其所示的是每个状态结束时的转子位置，其中图（d）是状态⑥的结束位置，它与图2-4（a）所示位置相同，即开关管状态可进入下一轮循环。如果想让永磁转子反转，则只需要把状态反序，即将开关管按状态①_⑥⑤……②~①的顺序通断。

启动方式

因为随着电机转速越高，其反电动势的幅值则会越高。但是当电机在启动和低速状态时，其反电动势比较小，导致检测装置检测不到信号，或者是准确度差、不稳定。所以在电机的启动和低速阶段，一般不使用反电动势法来检测转子位置。可以使用以下的三步启动法，来使无刷直流电机启动。

转子预定位

由于惯性旋转、人为干扰等原因，电机在上次停转后所处的位置是未知的，盲目地将随机位置地转子从一个固定的状态直接旋转，会导致电机旋转异常。转子预定位，就是将电机在旋转前，将转子预先固定在一个初始位置，以便于之后的加速。转子预定位可以采用两相长时间导通，旨在吸引转子固定在一个确定位置，如图3-1（a），黑色箭头代表电磁转矩。但是这种方法过于理想，会出现如图3-1（b）中的情况，此时转子的磁势和绕组产生的磁势是180°相反的关系，这时电磁转矩极小甚至没有。所以一般使用双状态预定位，就是首先让电流流入A相，从C相流出，紧接着切换成一个临近的状态，比如让电流流入B相，从C相流出，这时，不管在什么位置的转子都会至少转动过一次。最后再让电流从A相流入，C相流出。这样就可以避免转子磁势与定子磁势相反，电磁转矩几乎为0这种特殊情况，从而避免定位失误。

在实际操作中，会出现电压的PWM占空比过小，负载转矩过大，机械摩擦力过大导致转子不旋转，从而定位失败；或者，出现电压的占空比过大，导致电机发热，或者转子在指定位置后不停左右抖动。所以，在实际操作中，要根据电机的特性，不断实验，调整好最佳的转子预定位电压占空比，如果负载过重，需要按需调节占空比。如果导致定位失败甚至堵转，则需要关闭所有开关管，停止驱动电机并且发出声、光报警信号。

转子的同步加速

转子定位后需要进行无反馈的同步加速。加速的方法就是以一定的时间间隔按顺序切换开关管的六步状态，这种工作状态类似于鼠笼异步电机，前者的频率是程序设定，后者频率是50Hz工频，前者的电流是呈方波形状，后者是正弦波形状。区别在于前者必须做到无反馈地与设定频率同步，后者则允许有转差率。
为了做到同步加速，有恒频率升压的方式和升频率升压的方式。恒频率升压是指切换开关管状态的频率恒定不变，通过提高PWM占空比，来让转子转动至开关管的频率，中间如果负载较大，则容易产生失步现象。升频率升压的方式是指开关管频率和PWM占空比匹配提高，其对程序要求较高，但是效果好，可以避免失步情况。相比于恒频率升压的方式，升频率升压有更好的适应负载的能力，启动更加平顺。其实两种方式都需要不停试验，调出各个特征参数，来满足实际使用情况。

切入转子正常旋转程序

随着转子的转速不断提高，其反电动势的幅值也在不断地增加。当反电动势检测程序可以正常且稳定地读出反电动势值，并成功判断其过零点数次后，则可以使用反电动势过零点检测法对转子位置进行检测，随后切入使用转子位置进行开关管状态切换的程序。在切换程序过程中，如果转速不同，或者上一个环节的结束点和这个阶段的启动点相差太大的话，都会导致抖动。如果是对于特殊工作情况，可以通过设定一个切换转速，来约定切换时机，并且调节参数和程序，使得切换时的启动点就是结束时的工作点。

反电动势检测法

当转子上的永磁体旋转时，会切割绕组产生反电动势，而且转速越大，其产生的反电动势也越大，这个反电动势是可以使用检测电路检测的。检测三相绕组中反电动势，根据其变化，就可以得知转子是否到达六个关键换向节点，并决定是否进行换相操作。

总结无刷直流电机运行原理的规律，不难发现每个开关会连续开两个状态的时间后关闭，比如在状态①切换到状态②时，Q2是一直开通的状态，只有Q1被关闭，Q3被打开。由于开关管控制每一相中电流的流向，所以可以知道，每一相都在连续两个状态时间中的电流流向不发生变化，而在那两个状态时间过后的一个状态时间，是用于电流变向。之后的三个状态时间内再完成一次电流变向，以六个状态时间为周期，周而复始地进行下去。其实，反电动势也是按照这个规律进行变化的。每一相的反电动势在定子电流持续流过的两个状态时间内，是恒定不变的非零值，当定子电流需要进行换向的那个状态中，由于该相的浮地段是不导通的，其端电压或相电压就会发生变化，这也反映出该相绕组的感应电动势，如图3-2，它的大小会由正值转变为负值或者由负值转变为正值。这时就需要检测其过零点的时刻，，但过零点的时刻并不是换相的时间点，因为这是转子的磁势是出于不导通的那一组绕组的轴线上。在应用中，需要按照实际情况延迟30°+60°k（k=0，1，2…）才能到达应该换相的位置，这时通过控制器发出控制信号，这样就可以使功率开关管导通或者关断，使无刷直流电机不停地旋转下去。

从图3-2中可以看出，无刷直流电机产生的反电动势是呈梯形波形状的，而其定子电流是断续的方波形状。因为在电机转动过程中，定子中总有两相绕组会通过电流，使那两相绕组中也会生成大小相等、方向相反的反电动势。等其中一相绕组断开时，其电流立即降为零，但是反电动势会通过开关管和二极管进行续流，会由正变负或者由负变正，与下一段电流反向时的反电动势接续。在一个周期中，每相的反电动势有两次过零点，三相则可以接收到6次过零点信号，滞后30°+60°k（k=0，1，2…）后即为开关管换相的信号。

硬件设计

在之前，本文已经对无刷直流电机的结构、运行原理、数学模型以及转子位置检测方法进行了分析。这一章将会在之前的理论基础上来设计一款无刷直流电机的驱动系统，如图4-1，其主要包括了控制处理模块、三相逆变器模块和转子位置检测模块，当然还有电源以及电机本体。

此设计为一体化设计，图中虚线框中的部分是被安排在一块电路板上的，即驱动器一体化。这样做符合BLDC设计小型化、紧凑化的初衷，整个驱动器只有长和宽10cm和高8cm的大小，而且还有设计得更小的潜能，如图4-2，此为PCB的3D预览图。

控制模块最小系统

由于近年来，ST公司的芯片价格普遍较高，经过在性能和价格方面的比较，最终选择STM32F401RCT6作为主控微处理器。这是一款基于高性能ARM Cortex-M4的32位RISC（精简指令集）内核，其主频为84MHz，拥有64kB的RAM和256kB的片载Flash，拥有50个可编程I/O口。在控制方面，有5个16位和2个32位的通用计时器，和1个自带死区控制的电机控制16位计时器。其他方面，有1个16通道的12位ADC，以及若干I²C、USART、SPI通讯控制器。基于该款单片机设计的最小系统和输入输出设备的原理图如图4-4和图4-5所示。

最小系统原理图除了芯片各引脚连接去向，还包括以下几个部分：晶振电路中选用8MHz的晶振和22pf的电容，给芯片提供稳定的外部时钟源；复位电路利用一颗按键接地来控制程序复位；ST-Link电路实现了程序的烧录；BOOT电路是选择芯片的启动路径，在这里本文默认接地为片内Flash启动。

三相逆变器电路及其驱动设计

三相全桥逆变器模块主要有两个部分组成，一个驱动器电路，一个是桥式电路。如图4-6所示的是A相的驱动器电路。

EG3112是一款高性价比的MOS、IGBT驱动芯片。专用的MOS驱动电路可以避免使用芯片的控制信号直接控制开关管的导通和关断，增大控制信号的带载能力，也起到隔离作用，防止反灌电流对主控芯片造成损害。其输出的HO1和LO1信号最终输入MOS管的G极，HO1控制上管，LO1控制下管。

如图4-7所示的是一个三相全桥逆变电路。它由六个MOS管组成，其中两两一组组成三个桥臂，上下桥臂能单独导通和关断。MOS管采用的是IRLR8726，这是一款N沟道增强型MOS管，最高耐压30V，在G极电压为10V时，最大可通过电流为86A。该MOS管符合驱动系统设计要求，是一款非常适合用来驱动无刷直流电机的MOS管。桥臂下方与接地点之间串联了一个电阻，其电阻不仅可以防止上下桥臂因失误而同时打开时，电源正极与负极同时相连，也可以用来通过分压测得反电动势。