【应用】使用微控制器进行初始位置检测，实现无传感器BLDC电机的平稳快速启动

具有低噪音和高耐用性的无刷直流（BLDC）电机广泛用于工业应用、汽车和家用电器等许多领域。当使用无刷直流电机时，设计人员可以选择几种控制原则。如果成本保持较低，通常会忽略检测转子位置的传感器（无传感器原理），而采用另一种方法，例如根据电机的反电动势估算位置。但是，这并不能提供电机停止时转子的位置信息。因此，根据转子位置在启动时控制电机是不可能的，并且可能导致效率降低（如启动时不必要的反转）。这些问题可以通过结合一种初始位置检测功能来解决（图1）。本文描述了一种用于初始转子位置检测的方法，该方法通过使用用于电机控制的微控制器来实现，以RENESAS RL78/G1F微控制器解决方案为例解释了该方法可以实现无传感器电机的平稳、快速和高扭矩启动。另外，该技术对电动工具、机床、输送设备、机器人、泵、鼓风机等的开发非常有效。

图1 设计人员考虑使用无传感器的无刷直流电机

无传感器电机易出现的启动问题

图2说明了无刷直流电机控制技术中初始转子位置检测的位置。 例如，采用120度传导方式（梯形控制）或矢量方式（正弦控制），可以实现三相无刷直流电机的控制。120度传导方式每隔60度切换三相通电模式，在线圈磁通和转子永磁体之间产生转矩。这种方法因实施简单而被广泛使用。另一方面，矢量方式将电机的当前值分成转矩分量和磁场分量，这些都是精确控制的。这可以在很宽的低速到高速范围内实现高效率，但是它需要复杂的算术处理，增加了CPU的负载。

对于这两种方式，都有用于转子位置检测的传感器和无传感器解决方案。本文仅着重于120度传导方法。霍尔传感器（磁性传感器）通常用于使用120度传导方法的传感系统。但是，这增加了系统成本，并且霍尔传感器有不耐热的缺点。另一方面，无传感器系统依赖与电动机旋转相关的各种现象，例如产生反电动势来估计转子位置。但是，这会妨碍电机停止时的转子位置检测。因此在电动机启动时，不能执行根据转子位置的适当控制。在启动行为不成问题的应用中，可以忽略转子位置并执行强制起动，但在以下情况下不适用：

·避免启动过程中不必要的反转

·希望快速平稳的启动

·启动时的电流消耗保持在低水平

在这些情况下，有必要检测初始转子位置，以便进行适当的控制。

图2 无刷直流电机应用的技术

集成无传感器电机控制所需的所有功能

在详细介绍无传感器初始转子位置检测方法之前，将概述一款专为电机控制而设计的微控制器——瑞萨（Renesas）RL78/G1F微控制器（简称G1F）。该产品是瑞萨RL78系列低端微控制器的一部分（图3）。在这个系列中，G1F属于通用小组（G1x），一些专用功能的组合使其适用于电机控制应用。与电机控制应用有关的RL78/G1F的功能包括：

·用于电机控制的定时器，支持64MHz片上振荡器时钟

·带DAC参考电压的高速比较器

·高旋转速率可编程增益放大器（PGA）

·A/D转换器等

使用G1F的外围功能实现无传感器120度传导控制的电路配置如图4所示。16位定时器（Timer RD）产生变频器控制所需的三相补偿PWM信号。为安全起见，可编程增益放大器（PGA）和比较器（CMP0）用于检测过电流，允许在没有CPU干预的情况下强制关闭PWM信号。使用可选四输入比较器（CMP1）和具有输入捕捉功能的定时器（Timer RX）检测初始转子位置。在旋转开始并且反电动势变为可用之后，可以利用过零检测来确定转子位置。使用三相中线输入作为参考，比较器执行过零检测。或者，也可以使用10位A/D转换器（ADC）来获取值并执行过零检测。第一种使用比较器的方法适用于高精度和高速操作。使用A/D转换器的第二种方法（无比较器）适用于中等和低速应用。 

图3 瑞萨RL78系列

图4 使用G1F的外围功能实现无传感器120度传导控制的电路配置

无传感器初始转子位置检测方法

包括两个步骤，步骤1：180度位置检测；步骤2：极性检测。步骤1基于三相电机端子之间的电感因转子位置而不同的事实（图8）。电感差异会影响下游端子处的电压升高行为，这可以作为检测的基础。该步骤确定磁体沿三个相位（U、V、W）中的一个的方向。然而，磁体的磁极（北/南）还没有定义，因为相同的变化在整个360度范围内的两个循环中重复。步骤2基于的事实是，由电动机的永磁体产生的磁通量和由流过线圈的电流产生的磁通量的影响引起芯材料中的磁饱和，这使得电流更容易流动。因此，可以识别永磁体的磁极方向。结合步骤1和2的结果，可以在整个360度范围内检测转子位置。

电机类型不同，会有一定的差异，但步骤1中的目标电流非常小，所需的测量时间仅为几微秒。相反，步骤2处理更高的电流，并且测量时间也长大约两个数量级。实际上，即使仅执行三个阶段（三次）的步骤2，也能以60度的分辨率检测转子的初始位置。但是，这涉及更长的处理时间和处理更高电流的必要性。因此，此处所述的解决方案旨在通过集成步骤1和2来实现更高的效率。

步骤1：通过比较相间电压升高行为来评估

图5是步骤1的电路配置。首先，将电源电压施加到相U，并测量V相电压（VUV）达到阈值参考电压（VREF1）所经过的时间。该过程的工作原理如图6所示。VUV和VREF1相电压检测输入提供给比较器（CMP1）以进行匹配检测，定时器RX的计数器值用于确定VUV与VREF1匹配的时间。 定时器RX开始与定时器RD的PWM输出同步计数，并捕获与CMP1同步的计数值。

图5 步骤1的电路配置（180度位置检测）

图6 U→V电压的施加和达到阈值参考电压的时间测量

三个通道分别执行该过程，即U→V、V→W和W→U，并且使用以下标准确定沿着三个轴的转子位置：如果t_UV 大于t_VW和t_WU，则转子的磁极方向沿着W轴（图7）。CMP1最多可以使用四个开关外部输入进行匹配比较。由于上述操作使用三个输入，因此可以使用时间测量实现可重复的结果。

图7 根据测量时间检测转子位置

由于对永磁体磁场的影响，各个相端子之间的电感根据转子的位置而变化。这种影响的幅度也会改变具有相同趋势的定时器RX计数值。例如，假设端子间的电感和转子位置以及定时器RX计数值的变化如图8所示。使用所得的图表可以确定转子位置。以图7为例，t_UV>t_VW≒t_WU关系在图8中60度和240度时建立。因为这种变化在360度范围内的两个周期内重复进行，所以不可能确定哪个角度在任何给定点都是正确的。

端子之间的电感和根据转子位置的相应变化取决于电机。此外，输入到CMP1的相电压的行为不仅受到电机电感的影响，还受到逆变器电路的影响。因此，用户需要根据转子位置首先评估定时器RX计数值的变化，并设置CMP1的比较参考电压。

图8 根据转子位置和定时器RX计数值，不同端子之间电感的变化

步骤2： 比较分流电压行为进行评估

步骤2极性检测的电路配置如图9所示。由于此过程使用电机电流作为微控制器的输入电压，因此需要使用分流电阻。该输入可用于旋转期间的过电流检测。基于步骤1的结果，磁体所指向的相位被识别。在此步骤中，在恒定时间间隔（t_CONST）内，在+ ve（一相）和-ve（两相）绕组之间施加特定电流。该点（电流检测输入）的分流电压由可编程增益放大器（PGA）放大，并由ADC测量。图10中的上部分电路（红色信号路径）显示了电流从W流向U和V时的信号。随后，使电流在相反的方向上流动相同的时间间隔（t_CONST），并且执行相同的分流电压测量。图10中的下面的电路（蓝色信号路径）显示了当电流从U和V流向W时的信号。这两个测量值的大小关系可以确定永磁体的磁通量取向。在图11的示例中，当电流从W流向U和V方向时，电流值（IW+）大于电流在相反方向流动时的电流值（IW-）。因此，可以确定转子方向是W相的磁通量增强的方向（从W到U的电流的磁通量方向；V与永磁体的磁通量方向相同）。

图9 步骤2的电路配置（极性检测）

图10 分流电压测量（W→U,V和U,V→W）

图11 转子极性评估电流（分流电压）

评估系统：