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ADC采样积分方式的BLDC方波无感控制的原理

发布时间:2020-11-23 来源:Hardy Zhou 责任编辑:wenwei

【导读】本文主要参考了TIDA-010031参考设计,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。下面是典型的三相BLDC电机控制框图:
 
1.下面是典型的三相BLDC电机控制框图.
 
三个半桥驱动BLDC无刷电机,检测低边总线电流
 
ADC采样积分方式的BLDC方波无感控制的原理
 
2.典型的BLDC电机相电流和反电动势波形图分析
 
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。
 
ADC采样积分方式的BLDC方波无感控制的原理
 
3.反电动势过零点到峰值的反电动势电压和时间的积分
 
ADC采样积分方式的BLDC方波无感控制的原理
 
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ADC采样积分方式的BLDC方波无感控制的原理 。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ADC采样积分方式的BLDC方波无感控制的原理 ,单位为伏特。
 
设反电动势从center tap value到最大值的时间为t1, 而ADC采样积分方式的BLDC方波无感控制的原理
 
那么蓝色积分区域的积分值就等于蓝色三角形的面积:
 
ADC采样积分方式的BLDC方波无感控制的原理
 
可以看到,积分结果是Kv值的ADC采样积分方式的BLDC方波无感控制的原理,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ADC采样积分方式的BLDC方波无感控制的原理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,具体可以看下面的推导,推导过程参考了TI的参考设计TIDA-010031 http://www.ti.com/lit/ug/tiduej4/tiduej4.pdf?ts=1588819919326
 
所以如果对这个电机控制方法感兴趣的,可以在TI官网上查看该参考设计的软硬件开发资料。
 
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)。
 
ADC采样积分方式的BLDC方波无感控制的原理
 
此时的驱动逻辑是A相上管导通,B相下管导通, 所以有ADC采样积分方式的BLDC方波无感控制的原理
 
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。
 
ADC采样积分方式的BLDC方波无感控制的原理
 
可以得到当Ec=0,也就是反电动势过零时,ADC采样积分方式的BLDC方波无感控制的原理, 也就是说当ADC检测到ADC采样积分方式的BLDC方波无感控制的原理时,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)
 
ADC采样积分方式的BLDC方波无感控制的原理
 
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ADC采样积分方式的BLDC方波无感控制的原理
 
ADC采样积分方式的BLDC方波无感控制的原理
 
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两点
 
   1. 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。
   2. 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
   3. 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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