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    ADC积分方式BLDC无感控制原理

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    发表于 2022-3-11 18:14:21 | 显示全部楼层 |阅读模式

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    本文分析下ADC采样积分方波无感控制的原理,方便大家更好地完成类似的方案设计。

    1.下面是典型的三相BLDC电机控制框图

    1.png

    • 三个半桥驱动BLDC无刷电机,检测低边总线电流。

    2.典型的BLDC电机相电流和反电动势波形图分析

    2.png

    • 从波形上看,每60度电角度,只有两个半桥有驱动电压输出,另外一个半桥上下管全关,这个相电压是悬浮态。
    • BLDC电机运行后,相线都有反电动势。
    • 电机反电动势来源于电机转子旋转引起磁通的变化,而磁通的变化在定子绕组上会产生感应电压。
    • 对同一个电机来说,反电动势峰值跟电机转速几乎是固定的比例。

    3.反电动势过零点到峰值的反电动势电压和时间的积分

    3.png

    • 根据上面对反电动势峰值跟转速(电频率)几乎成固定比例的描述,设定Kv=Vm/f(Voit/Hz)。Vm为反电动势峰值, 对于同一个电机,我们可以认为Kv几乎不变。
    • 以上图左边的蓝色区域为例,该区域(反电动势过零点时刻到下一次换相点时刻之间的区域)的电角度是30度,也就是电角度(360度)的1/12。
    • 设当前电机电频率为f, 单位为Hz。
    • 反电动势的峰值电压为Vm=Kvf,单位为伏特。
    • 设反电动势从center tap value到最大值的时间为t1, 而t1f=t1/T=1/12
    • 那么蓝色积分区域的积分值就等于蓝色三角形的面积:

    • g4.jpg

    • 可以看到,积分结果是Kv值的(1/24)Kv,因此积分结果也是几乎不变的。
    • 所以我们可以根据积分的值跟固定阈值(1/24)Kv作比较来判断换相点。

    4.ADC如何采样反电动势
    • 方波无感BLDC的ADC采样积分控制,电路设计有三相相电压ADC采样电路,每60度电角度区间电机的两相由于半桥有输入电压同时有电感电流,在不增加额外电路的情况下很难获得反电动势电压,而悬浮相由于没有半桥电压输入和电感电流,所以可以从检测该相端电压推导出该相实际的反电动势电压。
    • 设计上采用下管常开,上管打PWM的策略驱动电机。考虑到电机驱动的PWM duty的大小是变化的,可以根据半桥上管ON的时间长短来决定采样策略,因为如果上管导通时间太短,为了避开MOSFET开通关断的影响,留给采样的时间就变得很少,不利于采样的准确性.
    • 在上管ON的时间比较长时,在上管ON时远离MOSFET开关时刻检测悬浮相的反电动势电压(一般在ON时间的正中间进行采样)。


    4.png

    • 此时的驱动逻辑是A相上管导通,B相下管导通, 所以有Va=Vm,Vb=0。
    • Ea, Eb, Ec为电机三相反电动势电压,va, vb, vc为三相半桥中点电压,也就是电机三相输入电压。
    • La, Lb, Lc为电机三相相电感,ia, ib,ic为电机三相输入电流,Ra, Rb, Rc为电机三相输入电阻(考虑三相电阻相等), vn为电机三相中点电压。


    g7.jpg

    • 可以得到当Ec=0,也就是反电动势过零时,Vc=Vm/2, 也就是说当ADC检测到Vc=Vm/2时,就意味着这个时刻是C相的反电动势过零点, 那么理论上再经过1/12 的电周期时间,电机就需要进行换向.

    • 上管ON的时间比较短时,在上管OFF时检测悬浮相的反电动势电压(一般在OFF时间的正中间进行采样)

    5.png

    • 此时的驱动逻辑是A相上管关闭,B相下管仍导通,此时A相下管MOSFET体二极管续流,所以有Va=0,Vb=0。

    g9.jpg

    • 得到当Ec=0,也就是反电动势过零时,vc=0,也就是说当ADC检测到vc=0时,就意味着这个时刻是C相的反电动势过零点,那么理论上再经过1/12的电周期时间,电机就需要进行换向。
    • 从上面的分析,我们可以看到,使用ADC采样积分方式进行无感BLDC控制,设计上需要注意以下几点:

    • 积分阈值跟电机的反电动势峰值和转速比值相关,可能会随着电机不同而不同,需要针对电机进行调整。
    • 上管做PWM驱动的设计下, 可以采用不同的ADC采样策略来针对大duty和小duty的情况,同时反电动势过零点的判断也需要调整。
    • 电机高速情况下,电频率相对比较高,而ADC积分采样基于PWM开关周期采样的,所以要获得比较准确的换相点,需要比较高的开关频率,如果开关频率比较低,意味着采样速率慢,可能会造成换相延迟比较大,从而影响电机的正常控制。
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