無刷直流（Brushless DC，BLDC）電機(jī)相對(duì)于感應(yīng)電機(jī)具有很多優(yōu)點(diǎn)。BLDC電機(jī)支持無級(jí)變速，這可以提高能效并降低噪聲。BLDC電機(jī)的速度－扭矩特性曲線是平直的，這使電機(jī)可以在較低的速度下運(yùn)行，無需消耗更高電流即可產(chǎn)生相同扭矩。
本文將討論使用Microchip公司的PIC18FXX31系列單片機(jī)，進(jìn)行冰箱中BLDC電機(jī)的有傳感器和無傳感器控制。

BLDC電機(jī)控制

BLDC電機(jī)的轉(zhuǎn)子上具有北極（N）和南極（S）交替排列的永磁體。定子由剛片疊制而成，繞組線圈放置在槽里，槽沿軸邊切割。要旋轉(zhuǎn)BLDC電機(jī)，應(yīng)按一定順序?qū)Χㄗ永@組進(jìn)行勵(lì)磁。為了執(zhí)行換向序列，清楚轉(zhuǎn)子位置非常重要。轉(zhuǎn)子位置使用嵌入定子中的霍爾效應(yīng)傳感器進(jìn)行檢測(cè)。大多數(shù)電機(jī)會(huì)在定子的電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端嵌入三個(gè)霍爾傳感器。每當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極接近霍爾傳感器時(shí)，傳感器會(huì)產(chǎn)生高電平或低電平信號(hào)，指示N或S極接近傳感器。根據(jù)這三個(gè)霍爾傳感器的信號(hào)組合，可以確定準(zhǔn)確的換向序列。表1給出了對(duì)應(yīng)于霍爾傳感器輸入的典型換向序列。

換向序列

如表1所示，每個(gè)序列會(huì)將三相中的兩相與電源連接，第三相保持開路。圖1顯示了簡(jiǎn)化的BLDC電機(jī)控制框圖。在該示例中，使用Microchip公司的PIC18F2331閃存單片機(jī)來控制電源開關(guān)。匹配驅(qū)動(dòng)器用于對(duì)電源開關(guān)進(jìn)行相應(yīng)的門控驅(qū)動(dòng)。PIC18Fxx31系列具有6個(gè)脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）通道，PWM頻率和占空比可進(jìn)行編程。Q0至Q5連接構(gòu)成三相逆變橋。A相、B相和C相分別與每個(gè)半H橋的中點(diǎn)連接，PWM0至PWM5分別控制電源開關(guān)Q0至Q5。PIC18Fxx31系列具有三個(gè)輸入捕捉引腳，表示為IC1、IC2和IC3。輸入捕捉模塊具有一種工作模式，在該模式下，每次任意輸入捕捉引腳上發(fā)生電平變化時(shí)，會(huì)捕捉Timer5的值。將霍爾傳感器與單片機(jī)連接時(shí)，適合使用該模式。每次霍爾傳感器發(fā)生電平變化時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生中斷，并捕捉Timer5的值。這個(gè)捕捉值對(duì)應(yīng)于電機(jī)速度。

表1:對(duì)應(yīng)于霍爾傳感器的典型換向序列 
 

當(dāng)PWM0至PWM5所標(biāo)記的信號(hào)根據(jù)序列開啟或關(guān)閉時(shí)，電機(jī)將以額定速度運(yùn)行（見圖1）。這種情況假定，直流母線電壓等于電機(jī)額定電壓與開關(guān)兩端所有電壓損失的和。要改變速度，可以對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行脈寬調(diào)制，使信號(hào)頻率遠(yuǎn)高于電機(jī)頻率。通常，PWM頻率應(yīng)至少是電機(jī)最大頻率的10倍。在序列中改變PWM頻率的占空比時(shí)，向定子提供的平均電壓會(huì)下降，從而降低速度。

圖1 電機(jī)控制框圖

使用PWM控制電機(jī)還有另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)直流母線電壓遠(yuǎn)高于電機(jī)額定電壓時(shí)，可以通過將PWM占空比限制為與電機(jī)額定電壓對(duì)應(yīng)的PWM占空比，將為電機(jī)提供的電壓限制為電機(jī)額定電壓。這樣，冰箱控制電路就可以在具有不同交流輸入的多個(gè)國(guó)家使用。交流電壓輸入使用二極管橋式整流器轉(zhuǎn)換為直流，控制器的平均電壓輸出通過控制PWM占空比與電機(jī)額定電壓匹配。

有幾種不同的控制方式。如果在單片機(jī)中限制PWM信號(hào)，則在相應(yīng)序列期間，可以一直導(dǎo)通上方的開關(guān)，相應(yīng)的下方開關(guān)可以通過所需的PWM占空比進(jìn)行控制。

在圖1中，溫度由用戶設(shè)置。冰箱內(nèi)部溫度使用溫度傳感器進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)冰箱的尺寸，可能會(huì)有多個(gè)傳感器位于冰箱內(nèi)部的不同位置。設(shè)置溫度和實(shí)際溫度使用片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog-to-Digital Converter，ADC）讀取。當(dāng)溫差大于預(yù)定義的溫度滯后值時(shí)（通常小于華氏2度），電機(jī)會(huì)以低速開始旋轉(zhuǎn)。如果溫差較大（例如，冰箱門打開），則電機(jī)應(yīng)以較高速度運(yùn)行。溫差和速度之間的關(guān)系可以根據(jù)冰箱尺寸確定。當(dāng)設(shè)置溫度和實(shí)際溫度之間的溫差改變時(shí)，壓縮機(jī)和風(fēng)扇速度可以相應(yīng)地改變。

PIC18F2331上提供了通用I/O引腳，可用于LED、LCD、開關(guān)、繼電器和小鍵盤。圖2以流程圖形式給出了固件概要。

圖2 使用霍爾傳感器換向進(jìn)行BLDC電機(jī)控制的流程圖

BLDC電機(jī)的無傳感器控制

BLDC電機(jī)的無傳感器控制根據(jù)定子繞組中產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)（Electro Motive Force，EMF）進(jìn)行換向。這種方法不需要霍爾傳感器。無傳感器控制有兩個(gè)明顯優(yōu)點(diǎn)：可靠性更高、成本更低。

元件較少的系統(tǒng)本身更為可靠。壓縮機(jī)會(huì)產(chǎn)生熱量，而溫度上升會(huì)加速霍爾傳感器工作失?；虬l(fā)生故障。在無傳感器設(shè)計(jì)中，不僅不需要霍爾傳感器，而且不需要霍爾傳感器接線，這些都可以帶來成本的節(jié)省（至少可以省去5條接線）。

反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)（而不是霍爾傳感器）對(duì)BLDC電機(jī)進(jìn)行換向，反電動(dòng)勢(shì)的大小取決于三個(gè)因素：轉(zhuǎn)子的角速度、定子繞組中的線圈圈數(shù)以及轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)。完成電機(jī)設(shè)計(jì)之后，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)和定子繞組線圈圈數(shù)將保持恒定?？刂品措妱?dòng)勢(shì)的因素是角速度或轉(zhuǎn)子速度。反電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)子速度成正比。但是，對(duì)于給定速度，可以使用電機(jī)數(shù)據(jù)手冊(cè)中提供的反電動(dòng)勢(shì)常量來估計(jì)反電動(dòng)勢(shì)。

對(duì)應(yīng)于相電壓，霍爾傳感器和反電動(dòng)勢(shì)之間的關(guān)系如圖3所示。每個(gè)換向序列中會(huì)有一個(gè)繞組正勵(lì)磁，第二個(gè)繞組負(fù)勵(lì)磁，第三個(gè)保持開路。如圖3，當(dāng)反電動(dòng)勢(shì)的電壓極性從正變?yōu)樨?fù)或從負(fù)變?yōu)檎龝r(shí)，霍爾傳感器信號(hào)會(huì)改變狀態(tài)（存在30°的相差）。在理想情況下，這種狀況在反電動(dòng)勢(shì)過零時(shí)發(fā)生。但是，由于繞組特性的原因，會(huì)存在一定的延時(shí)，應(yīng)通過單片機(jī)對(duì)該延時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償。

圖3 霍爾傳感器信號(hào)、相電壓、電流和反電動(dòng)勢(shì)之間的關(guān)系

另一個(gè)需要考慮的方面是速度極低時(shí)的工作。因?yàn)榉措妱?dòng)勢(shì)與旋轉(zhuǎn)速度成正比，所以速度極低時(shí)，用于檢測(cè)過零點(diǎn)的反電動(dòng)勢(shì)很小。從停止?fàn)顟B(tài)開始工作時(shí)，需要以開環(huán)方式起動(dòng)電機(jī)。當(dāng)產(chǎn)生足夠的反電動(dòng)勢(shì)，足以檢測(cè)過零點(diǎn)時(shí)，應(yīng)將控制切換為反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)?？梢詸z測(cè)反電動(dòng)勢(shì)的最小速度根據(jù)電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)常量進(jìn)行計(jì)算。

反電動(dòng)勢(shì)過零檢測(cè)

檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)對(duì)于無傳感器控制系統(tǒng)非常關(guān)鍵。確定過零點(diǎn)可以使用幾種不同的技術(shù)。如前面所述，每個(gè)換向序列都有一個(gè)非勵(lì)磁繞組，在每個(gè)繞組通過非勵(lì)磁狀態(tài)時(shí)檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)。圖4a、4b和4c顯示了可以用于檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)的不同方案。在圖4a中，A相與電源正極（DC+）連接， C相與電源負(fù)極（或回路DC-）連接，B相開路。觀察B相上的反電動(dòng)勢(shì)，可以看到反電動(dòng)勢(shì)朝正電壓上升，然后朝負(fù)電壓下降。將它與直流母線電壓的一半進(jìn)行比較時(shí)，可以獲得虛擬過零點(diǎn)。通過使用運(yùn)放比較器，可以確定過零點(diǎn)。

圖4b顯示了通過產(chǎn)生虛擬中性點(diǎn)來確定反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)的方法。虛擬中性點(diǎn)使用圖中所示的梯形電阻網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生，然后將非勵(lì)磁繞組中的反電動(dòng)勢(shì)與該中性點(diǎn)進(jìn)行比較。這使得在所有可測(cè)量速度下，可相對(duì)容易地確定過零點(diǎn)。

圖4a和4b顯示了B相的過零檢測(cè)電路。對(duì)于A相和C相，當(dāng)其相應(yīng)繞組未勵(lì)磁時(shí)，應(yīng)使用類似電路進(jìn)行反電動(dòng)勢(shì)過零檢測(cè)。

圖4a 反電動(dòng)勢(shì)過零檢測(cè)：與直流母線電壓/2比較 
 

圖4b 反電動(dòng)勢(shì)過零檢測(cè)：與中性點(diǎn)比較 
 

圖4c 反電動(dòng)勢(shì)過零檢測(cè)：使用片上ADC讀取

反電動(dòng)勢(shì)過零檢測(cè)的另一種方案是使用ADC，如圖4c中所示。PIC18F2331單片機(jī)具有可用于此用途的高速ADC。通過使用分壓器，可以將反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)降到單片機(jī)可測(cè)量的電平。使用片上ADC對(duì)該信號(hào)進(jìn)行采樣，不斷將采樣值與對(duì)應(yīng)于零點(diǎn)的數(shù)字值進(jìn)行比較。當(dāng)這兩個(gè)值匹配時(shí)，就更新?lián)Q向序列。該方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠使測(cè)量更為靈活。當(dāng)速度改變時(shí)，繞組電壓可能會(huì)波動(dòng)，導(dǎo)致反電動(dòng)勢(shì)的變化。這種情況下，單片機(jī)可以完全控制過零點(diǎn)的確定。此外，還可以采用數(shù)字濾波器來濾除反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)中的高頻開關(guān)噪聲成分。

結(jié)論

BLDC電機(jī)與生俱來的優(yōu)點(diǎn)使其可用來控制冰箱的壓縮機(jī)和風(fēng)扇，提高冰箱能效和降低噪聲，同時(shí)支持無級(jí)變速。但是，BLDC電機(jī)需要通過驅(qū)動(dòng)電路來進(jìn)行電子換向。使用驅(qū)動(dòng)電路可實(shí)現(xiàn)變速操作。此外，與根據(jù)制冷負(fù)載間歇性地起動(dòng)和停止壓縮機(jī)的傳統(tǒng)方式相比，系統(tǒng)功耗更低。

使用Microchip的PIC18F2331系列單片機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)幾種以開環(huán)和閉環(huán)方式控制BLDC電機(jī)的方法，同時(shí)可以充分利用單片機(jī)中可用于電機(jī)控制的外設(shè)，減少所需的外部硬件。