无传感器BLDC控制的开发与应用

Microchip的新型低成本BLDC开发工具使学习先进，无传感器BLDC控制变得轻松 - 就像手机已经成为我们日常生活中不可或缺的一部分一样，无论我们走到哪里，电动机都伴随着我们。一台电动马达转动我们房子里的风扇和压缩机，洗涤和干燥我们的衣服，甚至将这些重要的冰咖啡饮料混合在下午的咖啡因中。电动机占我们每天使用的能量的很大一部分，因此我们可以更有效地旋转电机，我们可以节省更多的能源。而且，因为它们在如此多的产品中并且执行许多不同的功能，所以能够精确地控制电动机是非常重要的任务。

Microchip为任何类型的电动机系统提供电机控制解决方案。特别是，Microchip的dsPIC®数字信号控制器（DSC）和PIC24微控制器（MCU）产品可以对电机进行数字控制，为电机控制系统带来精确的控制和效率。 Microchip最新推出的dsPIC DSC产品具有创新功能和低价格，可满足无传感器无刷直流系统的需求。最受欢迎的电机类型之一是无刷直流电机（BLDC）。 BLDC电机的关键特性是它没有刷子！ BLDC内部是一个永久磁铁，连接在旋转的轴或转子上。 BLDC电机具有围绕转子定位的三组线圈。一旦线圈通电，它就会产生一个磁场，使转子上的永磁体与磁场对齐，从而使转子旋转。但是，当转子与通电线圈产生的磁场对齐时，旋转动作停止。为了保持转子运动，线圈以特定的顺序通电，彼此相位相差120°。这就是BLDC电机成为“三相电机”的原因。参见图1.

图1：为保持转子运转，线圈为以特定顺序通电，彼此相位相差120°。

对线圈通电和断电以保持转子旋转的过程称为换向。使BLDC成为具有吸引力的电动机的原因在于，电转换发生，而转子和线圈之间没有任何机械相互作用。这使得BLDC电机非常可靠并且同时构造相对便宜。控制BLDC电机的挑战是知道何时换向，因为换向必须在旋转期间的精确点处发生，以使电机具有最大扭矩和平稳操作。大多数BLDC电机系统使用霍尔效应传感器来检测轴在其旋转的位置，从而检测何时换向。这会增加布线和传感器的成本，以及另一个故障点。更先进的系统是通过检测电机旋转产生的反电动势（反电动势）来完全消除传感器，并根据电机的反电动势计算何时换向。数字信号控制器，如dsPIC DSC，大大简化了这种“无传感器”电机控制系统的实现。

停在那儿！不要再思考了！ “高级”并不意味着复杂或。..。..昂贵！数字信号控制器提供MCU的所有功能，以及这些方便的“工具”，几乎可以对任何电机类型进行数字控制。 Microchip关于无传感器BLDC电机控制的应用笔记AN1160中描述了一个示例，其中包括易于遵循的示例软件。此外，市场上有许多电机控制工具使学习变得简单但通常成本过高。打破这一成本障碍的是Microchip的90美元电机控制入门套件（图2）。该套件采用Microchip最新的低成本，高性能dsPIC DSC。通过先进的电机控制系统，我们来看看无传感器BLDC系统的工作原理以及低成本无传感器BLDC开发系统的外观。

再看一下图1.请注意，总是有一个线圈（或相位）没有被驱动？电机的反电动势将在此阶段可见，因为它没有被驱动。通过检测该相的电压，可以重建该相的反电动势波形。通过精心计时，可以对电机的每个相位进行此操作，从而可以重建所有三个反电动势信号。由于换向时间基于电机的反电动势，因此可以从重建的反电动势波形中找到换向时间，从而无需传感器。有关反电动势采样，重建反电动势波形以及检测何时应进行换向的详细信息，请参见许多供应商提供的众多应用说明。 Microchip的应用笔记AN1160使用过零方法来检测何时进行整流，并在采样的反EMF波形上使用数字滤波器，以降低通过切换电机驱动器引入的噪声。其他供应商在其应用笔记中使用类似的方法来实现无传感器BLDC控制。

虽然应用笔记和示例软件在解释无传感器BLDC系统如何工作方面非常有用，但现实世界是一个更好的老师。旋转真实的电机并在真实的数字信号控制器上执行软件可以快速地说明许多概念，这些概念可能只是通过阅读应用笔记而容易被误解。为此，有许多无传感器BLDC开发板可供使用。 Microchip的电机控制入门工具包（MCSK DM330015-ND）是目前市场上价格最低，功能最齐全的电路板之一。 MCSK包括一个高性能dsPIC数字信号控制器，一个板载USB编程器和调试器，一个BLDC电机驱动器和一个BLDC电机。参见图2.

图2：电机控制入门套件的图像。

学习需要能够查看系统中的所有信号，因此MCSK包含测试点，可以轻松连接示波器并查看所有重要信号，包括轻松访问电机相位。 MCSK还采用了Microchip的电容式触摸技术，该技术可实现创新和可靠的人机界面。所有内置都安装在电路板上，包括电机，只需一块电路板即可在任何地方进行学习型无传感器BLDC电机控制。有关MCSK的更多信息，请访问http://www.microchip.com/Developmenttools/ProductDetails.aspx？PartNO=DM330015

MCSK中包含的dsPIC DSC是Microchip的新型超低成本dsPIC33FJ16MC204。该器件采用16 KB闪存，速度为16 MIPS，具有足够的性能，存储器和外设，适用于无传感器BLDC电机控制。外设集包括Microchip业界领先的电机控制PWM模块，极大地简化了为电机驱动器生成PWM信号的过程。还包括标准通信外设，如UART，I²C™和SPI。这些新器件还包括Microchip的电容式触摸外设，可实现电容式触摸传感和精确的电流测量。对于要求更高的应用，Microchip还提供了到40和60 MIPS处理器的简单迁移路径，这些处理器兼容代码和功能，存储器大小范围为32 KB至512 KB闪存。有关dsPIC系列的更多信息，请访问http://www.microchip.com/design-centers/16-bit。

电机和电机控制方法为我们周围的系统带来更高的效率和可靠性。 BLDC电机的低成本和高可靠性将继续使其成为电动机系统的流行选择。通过降低成本和提高可靠性，无传感器BLDC控制也将继续普及。开发工具和软件，如Microchip的MCSK和应用笔记AN1160，将进一步加速这一趋势，使电机传感器成为过去。