本文討論了一種使用在數(shù)字信號控制器 （DSC） 上實現(xiàn)的多數(shù)濾波器來控制無刷直流 （BLDC） 電機的無傳感器技術(shù),。該算法利用多數(shù)函數(shù)對反電動勢 （BEMF） 進行數(shù)字濾波,。對電機的每一相進行濾波，以確定何時對電機驅(qū)動電壓進行換向,。
這種控制技術(shù)不需要分立的低通濾波硬件和片外比較器,。無傳感器梯形控制有五個主要部分：
使用 DSC 上的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 外設對梯形 BEMF 信號進行采樣
重建電機虛擬中性點
將梯形 BEMF 信號與重建的電機虛擬中性點進行比較,，以檢測過零點
使用多數(shù)函數(shù)過濾器過濾來自比較的信號
換向電機驅(qū)動電壓
有傳感器控制與無傳感器控制
BLDC 電機具有緊湊的尺寸、可控性和高效率,，可用于消費類和工業(yè)應用,。它也越來越多地用于汽車應用，作為消除皮帶和液壓系統(tǒng),、提供附加功能和提高燃油經(jīng)濟性的戰(zhàn)略的一部分,。控制 BLDC 電機所需的磁鐵和電子設備成本不斷降低，這有助于其在越來越多的應用中使用,，并在更高的功率水平下使用,。
BLDC 電機通常與一個或多個轉(zhuǎn)子位置傳感器一起運行，因為電勵磁必須與轉(zhuǎn)子位置同步,。出于成本,、可靠性、機械封裝的原因,，特別是如果轉(zhuǎn)子浸入流體中運行,，則希望在沒有位置傳感器的情況下運行電機，這被稱為無傳感器運行,。
可以通過在驅(qū)動階段之一期間感測未驅(qū)動電機端子上的 BEMF 電壓來確定何時對電機驅(qū)動電壓進行換向,。無傳感器控制的明顯成本優(yōu)勢是無需霍爾位置傳感器。如果低成本是主要考慮因素,，并且不需要低速電機運行,，并且預計電機負載不會快速變化，那么無傳感器控制可能是您應用的更好選擇,。
六步（梯形）換向
本文描述的無傳感器算法中為電機繞組通電的方法稱為六步梯形或 120° 換向,。每個步驟或扇區(qū)相當于 60 度電度。六個部門組成了一場電氣革命,。圖 1 顯示了換向過程,。
圖 1：六步換向。
對于每個扇區(qū),，兩個繞組通電,，一個繞組不通電。一個繞組在每個扇區(qū)中沒有通電這一事實是六步控制的一個重要特征,，它允許使用無傳感器控制算法,。當 BLDC 電機旋轉(zhuǎn)時，每個繞組都會產(chǎn)生 BEMF,，根據(jù)楞次定律,，它與提供給繞組的主電壓相反。該 BEMF 的極性與激勵電壓的方向相反,。圖 2 顯示了理想的 BEMF 波形和過零點,。
電機的 BEMF 波形隨轉(zhuǎn)子位置和速度的變化而變化。因此,，在零速和極低速下使用 BEMF 檢測轉(zhuǎn)子位置是不可能的。然而,，有許多應用（例如,，風扇和泵）不需要定位控制或低速閉環(huán)操作。同樣，使用 BEMF 有許多不同的方法,。這些方法中的大多數(shù)可以總結(jié)如下：
電機端子電壓檢測
中點電壓感應
總線電流梯度感應
所選擇的技術(shù)利用了中點電壓重建,，它基于檢測非活動相的 BEMF 為零的情況。無傳感器過零技術(shù)適用于不需要接近零速度的閉環(huán)操作的廣泛應用,。
圖 2：過零檢測,。
假設只有三個電機引線可用于檢測 BEMF，則必須確定電機中性點的電壓,，因為 BEMF 波形將被中性點電壓抵消,。
大多數(shù)時候，電機制造商不給電機中性點接線,。但是,，它可以由軟件生成。三個網(wǎng)絡與電機繞組并聯(lián),，以檢測每一相的電壓,。中性線電壓等于相位信號的平均值。圖 3 顯示了如何使用六個電阻器測量每個相位的電壓,。
將重建的電機中性電壓與每個 BEMF 信號進行比較以確定過零事件,。當 BEMF 信號等于電機中性點時，存在過零事件,。
圖 3：基于 DSC 的系統(tǒng),。
實現(xiàn)算法
第一個任務是對 BEMF 信號進行采樣。為了實現(xiàn)這一點,，DSC 的 ADC 配置為以等于 DSC 的脈沖寬度調(diào)制器 （PWM） 重載頻率的采樣率同時對 BEMF 信號進行采樣,。因此，ADC 與 PWM 重載事件同步,。
ADC 在 PWM 開啟時間進行采樣,，目的是避免電子開關(guān)產(chǎn)生的振鈴噪聲。信號的采樣點在 PWM 開啟時間內(nèi)是可變的,，具體取決于電機速度,。
然后重建電機中性點并與 BEMF 信號進行比較。通過這些軟件比較產(chǎn)生的信號仍然有一些噪聲,，這些噪聲將使用多數(shù)函數(shù)過濾掉,。
數(shù)字濾波器：多數(shù)函數(shù)
這種 BEMF 濾波方法是一種稱為多數(shù)函數(shù)的非線性數(shù)字濾波器。多數(shù)函數(shù)是一個布爾函數(shù),，它接受 n 個二進制輸入并返回其中最常見的值,。可以表示如下：
多數(shù)函數(shù)濾波器的第一級是通過兩個邏輯運算來實現(xiàn)的,；第一個運算符 （AND） 檢測到活動的 BEMF 信號,。第二個運算符 （XOR） 檢測活動 BEMF 信號的下降沿和上升沿。這兩個操作的輸出稱為“有源屏蔽 BEMF”信號。
然后使用多數(shù)檢測濾波器過濾有源屏蔽的 BEMF 信號,。這個過濾器是用一個由 64 個值復合而成的數(shù)組和一個特殊的邏輯測試條件來實現(xiàn)的,，用于修改下一個數(shù)據(jù)值的指針。
有 64 個值表示 6 個樣本窗口對于有源屏蔽 BEMF 信號可能具有的 2 6種可能組合,。查找表中的每個值都是指向下一個可能的六樣本窗口的指針,。圖 4 顯示了如何根據(jù) BEMF 信號更新六樣本窗口。
過濾器始終在邏輯測試條件的輸出處尋找真到假的變化,。如果檢測到這種從真到假的條件,，則過濾器會查找三個連續(xù)的假狀態(tài)以驗證是否發(fā)生過零事件。邏輯測試條件輸出的真到假條件表示電機換向,；因此,，一個新的 BEMF 信號將被監(jiān)測。
圖 4：六個樣本窗口,。
有 16 個唯一索引值表示真到假條件,。這些值為 24、25,、26,、28、40,、41,、42、44,、48,、49、50,、52,、56、57,、58 和 60,。這些唯一值被替換為 1，以表示真到假條件發(fā)生,。
使用以下多數(shù)函數(shù)標準選擇 16 個唯一值,。當一個數(shù)字的二進制表示在三個最高有效位中包含大多數(shù) 1，然后是大多數(shù)零時,，該數(shù)字是唯一值,。
剩下的 48 個數(shù)字是指向唯一值的指針，以防發(fā)生真到假情況,。有些值永遠不會指向任何唯一值,，因為它們不是 16 個唯一數(shù)字中任何一個的倍數(shù),。然后將這些數(shù)字指向它們的倍數(shù)并以這樣的方式陷入循環(huán),，即過濾器正在等待指向 16 個唯一數(shù)字之一的新值,。圖 5 顯示了完整的多數(shù)濾波器的框圖。
圖 5：過濾 BEMF 信號,。
BLDC 電機的一個有趣特性是它們將在一定程度上同步運行,。這意味著對于給定的負載、施加的電壓和換向速率,，電機將保持與換向速率的開環(huán)鎖定,；前提是這三個變量不會顯著偏離理想值。在實際實現(xiàn)中,，使用比例積分和微分 （PID） 控制回路來控制這些變量,。
強大且具有成本效益的 DSP 引擎使有效控制無傳感器應用中的扭矩和速度需求成為可能。數(shù)字信號控制器非常適合對效率,、高性能和成本有關(guān)鍵要求的應用,。
本文面向希望使用新的電機控制技術(shù)驅(qū)動無傳感器 BLDC 電機的開發(fā)人員。該技術(shù)無需使用分立的低通濾波硬件或片外比較器,，同時提供高效率和卓越的性能,。
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