如何使用数字信号控制器实现多数滤波器的无传感器技术

　　本文讨论了一种使用在数字信号控制器 （DSC） 上实现的多数滤波器来控制无刷直流 （BLDC） 电机的无传感器技术。该算法利用多数函数对反电动势 （BEMF） 进行数字滤波。对电机的每一相进行滤波，以确定何时对电机驱动电压进行换向。

　　这种控制技术不需要分立的低通滤波硬件和片外比较器。无传感器梯形控制有五个主要部分：

　　使用 DSC 上的模数转换器 （ADC） 外设对梯形 BEMF 信号进行采样

　　重建电机虚拟中性点

　　将梯形 BEMF 信号与重建的电机虚拟中性点进行比较，以检测过零点

　　使用多数函数过滤器过滤来自比较的信号

　　换向电机驱动电压

　　有传感器控制与无传感器控制

　　BLDC 电机具有紧凑的尺寸、可控性和高效率，可用于消费类和工业应用。它也越来越多地用于汽车应用，作为消除皮带和液压系统、提供附加功能和提高燃油经济性的战略的一部分。控制 BLDC 电机所需的磁铁和电子设备成本不断降低，这有助于其在越来越多的应用中使用，并在更高的功率水平下使用。

　　BLDC 电机通常与一个或多个转子位置传感器一起运行，因为电励磁必须与转子位置同步。出于成本、可靠性、机械封装的原因，特别是如果转子浸入流体中运行，则希望在没有位置传感器的情况下运行电机，这被称为无传感器运行。

　　可以通过在驱动阶段之一期间感测未驱动电机端子上的 BEMF 电压来确定何时对电机驱动电压进行换向。无传感器控制的明显成本优势是无需霍尔位置传感器。如果低成本是主要考虑因素，并且不需要低速电机运行，并且预计电机负载不会快速变化，那么无传感器控制可能是您应用的更好选择。

　　六步（梯形）换向

　　本文描述的无传感器算法中为电机绕组通电的方法称为六步梯形或 120° 换向。每个步骤或扇区相当于 60 度电度。六个部门组成了一场电气革命。图 1 显示了换向过程。

　　图 1：六步换向。

　　对于每个扇区，两个绕组通电，一个绕组不通电。一个绕组在每个扇区中没有通电这一事实是六步控制的一个重要特征，它允许使用无传感器控制算法。当 BLDC 电机旋转时，每个绕组都会产生 BEMF，根据楞次定律，它与提供给绕组的主电压相反。该 BEMF 的极性与激励电压的方向相反。图 2 显示了理想的 BEMF 波形和过零点。

　　电机的 BEMF 波形随转子位置和速度的变化而变化。因此，在零速和极低速下使用 BEMF 检测转子位置是不可能的。然而，有许多应用（例如，风扇和泵）不需要定位控制或低速闭环操作。同样，使用 BEMF 有许多不同的方法。这些方法中的大多数可以总结如下：

　　电机端子电压检测

　　中点电压感应

　　总线电流梯度感应

　　所选择的技术利用了中点电压重建，它基于检测非活动相的 BEMF 为零的情况。无传感器过零技术适用于不需要接近零速度的闭环操作的广泛应用。

　　图 2：过零检测。

　　假设只有三个电机引线可用于检测 BEMF，则必须确定电机中性点的电压，因为 BEMF 波形将被中性点电压抵消。

　　大多数时候，电机制造商不给电机中性点接线。但是，它可以由软件生成。三个网络与电机绕组并联，以检测每一相的电压。中性线电压等于相位信号的平均值。图 3 显示了如何使用六个电阻器测量每个相位的电压。

　　将重建的电机中性电压与每个 BEMF 信号进行比较以确定过零事件。当 BEMF 信号等于电机中性点时，存在过零事件。

　　图 3：基于 DSC 的系统。

　　实现算法

　　第一个任务是对 BEMF 信号进行采样。为了实现这一点，DSC 的 ADC 配置为以等于 DSC 的脉冲宽度调制器 （PWM） 重载频率的采样率同时对 BEMF 信号进行采样。因此，ADC 与 PWM 重载事件同步。

　　ADC 在 PWM 开启时间进行采样，目的是避免电子开关产生的振铃噪声。信号的采样点在 PWM 开启时间内是可变的，具体取决于电机速度。

　　然后重建电机中性点并与 BEMF 信号进行比较。通过这些软件比较产生的信号仍然有一些噪声，这些噪声将使用多数函数过滤掉。

　　数字滤波器：多数函数

　　这种 BEMF 滤波方法是一种称为多数函数的非线性数字滤波器。多数函数是一个布尔函数，它接受 n 个二进制输入并返回其中最常见的值。可以表示如下：

　　多数函数滤波器的第一级是通过两个逻辑运算来实现的；第一个运算符 （AND） 检测到活动的 BEMF 信号。第二个运算符 （XOR） 检测活动 BEMF 信号的下降沿和上升沿。这两个操作的输出称为“有源屏蔽 BEMF”信号。

　　然后使用多数检测滤波器过滤有源屏蔽的 BEMF 信号。这个过滤器是用一个由 64 个值复合而成的数组和一个特殊的逻辑测试条件来实现的，用于修改下一个数据值的指针。

　　有 64 个值表示 6 个样本窗口对于有源屏蔽 BEMF 信号可能具有的 2 6种可能组合。查找表中的每个值都是指向下一个可能的六样本窗口的指针。图 4 显示了如何根据 BEMF 信号更新六样本窗口。

　　过滤器始终在逻辑测试条件的输出处寻找真到假的变化。如果检测到这种从真到假的条件，则过滤器会查找三个连续的假状态以验证是否发生过零事件。逻辑测试条件输出的真到假条件表示电机换向；因此，一个新的 BEMF 信号将被监测。

　　图 4：六个样本窗口。

　　有 16 个唯一索引值表示真到假条件。这些值为 24、25、26、28、40、41、42、44、48、49、50、52、56、57、58 和 60。这些唯一值被替换为 1，以表示真到假条件发生。

　　使用以下多数函数标准选择 16 个唯一值。当一个数字的二进制表示在三个最高有效位中包含大多数 1，然后是大多数零时，该数字是唯一值。

　　剩下的 48 个数字是指向唯一值的指针，以防发生真到假情况。有些值永远不会指向任何唯一值，因为它们不是 16 个唯一数字中任何一个的倍数。然后将这些数字指向它们的倍数并以这样的方式陷入循环，即过滤器正在等待指向 16 个唯一数字之一的新值。图 5 显示了完整的多数滤波器的框图。

　　图 5：过滤 BEMF 信号。

　　BLDC 电机的一个有趣特性是它们将在一定程度上同步运行。这意味着对于给定的负载、施加的电压和换向速率，电机将保持与换向速率的开环锁定；前提是这三个变量不会显着偏离理想值。在实际实现中，使用比例积分和微分 （PID） 控制回路来控制这些变量。

　　强大且具有成本效益的 DSP 引擎使有效控制无传感器应用中的扭矩和速度需求成为可能。数字信号控制器非常适合对效率、高性能和成本有关键要求的应用。

　　本文面向希望使用新的电机控制技术驱动无传感器 BLDC 电机的开发人员。该技术无需使用分立的低通滤波硬件或片外比较器，同时提供高效率和卓越的性能。