【应用】利用微控制器RL78/G1F进行无传感器初始位置检测，实现无传感器BLDC电机平顺快速启动

低噪音且高耐用性的无刷直流电机广泛用于许多领域，包含工业应用、 汽车及家庭。本文说明藉由使用微控制器检测转子初始位置以进行电机控制的方法，对此类电机的控制非常有帮助。此方法能解决许多容易发生在无传感器电机上的各种问题，藉由平顺且快速的高扭力启动， 实现极致高效系统。 

使用无刷直流电机时，设计师有多种控制原则可选择。 为保持低成本，通常会省略检测转子位置的传感器（无传感器原则），而采用另一种方法，例如根据电机的反电动势预估位置。但此法无法提供电机停止时的转子位置信息，因此无法依据转子位置在启动时控制电机， 故 可能因启动时发生非必要的反向旋转等情况而导致效率降低。纳入初始位置检测功能即可解决此类问题（图 1）。  

图 1、考虑无传感器无刷直流电机 

本文说明能有效控制无传感器无刷直流电机的初始转子位置检测，透过使用控制电机的微控制器，实现此初始位置检测。藉由应用本文所述的方法，可实现无传感器、平顺、快速且高扭力的启动。此技术对于电动工具、输送设备、机器人、水泵，鼓风机等的开发非常有效。 

解决容易发生在无传感器电机上的启动问题 

图 2 说明无刷直流电机控制中初始转子位置的定位技 术。 可利用如 120 度传导法（梯形控制）或矢量法（正弦 控制）等进行三相无刷直流电机控制。120 度传导法每 60 度切换一次三相激磁模式，在线圈的磁通量与转子永 久磁铁之间产生扭力。此方法相当易于实施，因此被广 泛使用。另一方面，矢量法将电机的电流值分成精确控 制的扭力分量及磁场分量，因而大范围的实现从低速到 高速的高效率控制，但此法需要复杂的算术处理，会增 加 CPU 的负荷。  

图 2、应用于无刷直流电机的技术 

不论是 120 度传导法或矢量法，针对转子位置检测都 有霍尔传感器及无传感器的解决方案。本文仅着重于 120 度传导法。霍尔传感器（磁性传感器）通常用于使 用 120 度传导法的检测系统，但这会增加系统成本，而 且霍尔传感器也有不耐热的缺点。 

另一方法，无传感器系统依赖各种与 电机旋转有关的现象例如产生的反电动 势来预估转子位置。但这会阻碍电机停 止时的转子位置检测，因此无法在电机 启动时，根据转子位置进行正确的控 制。当应用程序的启动方式没有问题 时，可忽略转子位置并执行强制启动， 但在以下情况中则不适合： 

- 应避免启动期间非必要的反向旋 转， 

- 需要快速且平顺的启动， 

- 应保持启动时低电流消耗。 

在这些情况下，必须检测初始转子位置 以进行适当控制。 

整合无传感器电机控制需要的所有功能 

在详细说明实施无传感器初始转子位置检测前，本文将先就设计用于电机控制的微控制器－瑞萨 RL78/G1F 微控制器（以下称 G1F）做说明。本产品为瑞萨电子低阶微控制器 RL78 系列的一部分（参见图 3）。此系列中， G1F 属于「一般用途」子类（G1x），且包含使 RL78/G1F 适合电机控制应用的专门特性组合。 RL78/G1F 与电机控制应用有关的部分功能包括： 

- 用于电机控制的Timer，支持 64MHz 芯片上振荡器 频率， 

- 附 DAC 的高速比较器，用于参考电压， 

- 高电压转换速率可编程增益放大器 (PGA)， 

- A/D 转换器等。 

利用 G1F 的周边功能实施无传感器 120 度传导控制的 电路配置如图 4 所示。16 位 Timer（Timer RD）产生逆变器控制所需的三相补偿PWM讯号。基于安全考虑， 利用可编程增益放大器(PGA)及比较器(CMP0)检测过电流，故可强制关闭PWM信号，无需CPU介入。 

图 3、RL78 系列规划 

图 4、无传感器 120 度传导控制的电路配置 

利用可选择的4输入比较器(CMP1)及具有输入捕获功能的Timer（Timer RX），检测初始转子位置。开始旋转且可取得反电动势后，可利用通过零点 (zero-cross) 检 测，决定转子位置。以三相中性点输入为基准，比较器进行通过零点检测。或者亦可利用10位A/D转器(ADC) 取得数值并进行通过零点检测。使用比较器的第一种方法适合高准确度及高速度操作，而使用A/D转换器的第二种方法（无比较器）较适合中/低速应用。 

结合两种处理步骤以缩短检测时间 

无传感器初始转子位置检测包含以下两个处理步骤。 

步骤 1：在 180 度以内的位置检测 

步骤 2：极性检测 

步骤 1 系以三相电机端子之间的电感会因转子位置变化 而有所不同的特点（参见图 8）。电感差异会影响下游端 子(此例中即为 MCU 或示波器)的电压上升行为，而此为 检测的基础。此步骤决定磁铁沿三个相位（U、V 及 W）之一的方向，但尚未决定极性（北或南），因为相同 的变化会在整个 360 度电气角度范围内重复两个周期。 

而步骤 2 采用的方法则是电机永久磁铁产生的磁通量与电流通过线圈产生的磁通量之影响会导致线圈铁芯材 料磁饱和，而使电流更容易流动。因此能识别永久磁铁 的磁极方向。结合步骤1和步骤2的结果，即可检测整个360度范围内的转子位置。 

不同的电机类型会有一定的差异，但处理步骤 1 时的 目标电流非常小，且量测只需要几毫秒的时间。相对而 言，步骤 2 则要应付相对较大的电流，且量测时间则增 长约 100 倍。 

实际上，即使只对三相执行处理步骤 2（三次），仍能以60度的分辨率检测到转子的初始位置。但此牵涉到较长的处理时间而且必须消耗较高的电流。故本文所述之 解决方案旨在藉由整合处理步骤 1 和 2，实现更高的效率。

处理步骤 1：藉由比较相位之间的电压上升行为进行评估 

180 度以内的位置侦测程序说明如下。使用的G1F周边功能配置如图5所示。 

图 5、处理步骤 1 电路配置（180 度以内之位置检测） 

首先，在U相上施加电源电压，并量测V相电压 (VUV) 达到门槛参考电压 (VREF1) 时经过的时间。此程 序的操作原理如图6所示。将 VUV及 VREF1相电压检测 输入传送至比较器 (CMP1) 进行匹配检测，并利用 Timer RX 的计数器值决定当 VUV与 VREF1相符的时间。 Timer RX开始计数，与 Timer RD 的PWM输出同步， 并与 CMP1 同步捕获计数值。 

图 6、施加 U → V 电压并量测达到比较参考电压的时间 

分别针对全部三个通道 U → V、V → W 及 W → U 执行本程序，并按照以下标准决定转子沿三个轴的位置： 

若 tUV > tVW 及 tWU，则转子的磁极方向为沿 W 轴方 向（参见图 7）。 

CMP1 最多可使用四个切换外部输入，进行匹配比较。 由于上述操作使用其中三个输入，故可利用时间量测值 达到可重复的结果。 

图 7、依据 U → V、V → W 及 W → U 的量测时间检测转子位置 

由于永久磁铁磁场的效应，相应相位端子之间的电感 会随转子位置而改变，而此效应的大小亦会以相同的趋 势改变 Timer RX 的计数值。举例来说，假设端子间电感、转子位置及 Timer RX 计数值的变化如图 8 所示， 则可利用产生的图形决定转子位置。以图 7 为例，在图 8 中，电气角度 60 度及 240 度时会建立 tUV > tVW ≒ tWU 关系。由于此变化在整个 360 度范围内重复两次， 故在任意点上无法判断两个角度（相差 180 度）中的哪 一个是正确的。

图 8、端子间的电感变化取决于转子位置与 Timer RX 计数值 

端子之间的电感及随转子位置之变化会因电机而有所 差异。此外，输出至 CMP1 的相电压行为不仅受到电机 电感的影响，亦会受到逆变器电路的影响。因此，用户 需要先依据转子位置评估 Timer RX 计数值的变化并设 定 CMP1 的比较参考电压。 

处理步骤 2：比较并联电压行为以进行比评估 

本节说明用于极性检测的第二个处理步骤。使用的 G1F 周边功能配置如图 9 所示。由于此程序以电机电流 作为微控制器的输入电压，故需要分流电阻。此输入可用于旋转时的过电流检测。 

图 9、处理步骤 2（极性检测）电路配置 

依据处理步骤 1 的结果，可识别磁铁指向方向的相位。此步骤中，在绕组+ve（一相）及–ve（两相）之间 施加特定电流，持续固定的时间 (tCONST)。利用可编程 增益放大器 (PGA) 放大该点（电流检测输入）的并联 电压，并以 A/D 转换器 (ADC) 量测。图 10 上方电路 （红色信号路径）显示当电流从 W 流向 U 及 V 时的信号。 

图 10、W → U、V 电流及 U、V → W 电流时的并联电压量测 

接着，让电流以反向流动相同的时间 (tCONST)，并进行 同样的并联电压量测。图 10 下方电路（蓝色信号路径） 显示当电流从 U 及 V 流向 W 时的信号。 

可利用这两个量测值间的大小关系决定永久磁铁的磁 通量方向。在图 11 的例子中，当电流从 W 流向 U 及 V 时的电流值 (IW+) 大于电流反向流动时的电流值 (IW-)。 因此，可判定转子方向为 W 相磁通量增强的方向（电流 从 W 到 U 的磁通量方向，V 与永久磁铁的磁通量方向相 同） 

图 11、转子极性评估电流（并联电压） 

本文说明适合无刷直流电机应用之无传感器初始转子位置检测方法，优势包含平顺且快速的高扭力启动以及低功耗。方法涉及结合低电流汲取及快速处理时间特性的 两个处理操作。因为运用了RL78/G1F微处理器本身针对电机应用的周边功能，故可将额外成本降至最低。此初始位置检测技术为瑞萨电子的申请中专利。我们相信此方法有助于开发低成本、高附加价值的电机应用产 品。