發布日期：2022-10-09 點擊率：151
BLDC無刷直流電機一般都是用霍爾傳感器來換向的，請問去掉傳感器有哪些控制方法？ 好像是采用反電動勢？
你說的是無位置傳感器控制方法，核心是獲得轉子位置信號，目前主要有以下方法。
1.
磁鏈觀測法
電機磁鏈信號和轉子位置直接相關, 因此可以通過轉子磁鏈的值來確定轉子位置信號。但電機轉子磁鏈不能直接檢測得到。為了獲得電機轉子磁鏈值,必須先測量電機的相電壓和電流, 建立不依賴于轉子速度而與轉子磁鏈直接相關的函數方程，計算磁鏈值。這種方法計算量大，而相電壓和電流中含有大量的干擾信號，準確測量又需要很高的軟硬件成本，因此很少采用。
2.
反電勢過零檢測法
在無刷直流電機中，繞組的反電勢通常是正負交變的，當某相繞組的反電勢過零時，轉子直軸恰好與該相繞組軸線重合，因此只要檢測到各相反電勢的過零點，就可獲知轉子的若干個關鍵位置，從而省去轉子位置傳感器，實現無位置傳感器無刷直流電機控制。這是目前應用最廣泛的無位置傳感器 BLDCM 控制方法。
這種方法的缺點是靜止或低速時反電勢信號為零或很小，難以準確檢測繞組的反電勢，因而無法得到有效的轉子位置信號，系統低速性能比較差，需要采用開環方法進行起動；另外，為消除PWM調制引起的干擾信號，需要對反電勢信號進行深度濾波，這樣造成與電機轉速有關的信號相移，為了保證正確的換相需要對此相移進行補償。
3.
反電勢三次諧波積分法
由于BLDCM的反電動勢為典型的梯形波，它包含了基波及其高次諧波分量，通過對電樞三相相電壓的簡單疊加，就可以獲得3次諧波及其奇數倍諧波，可以從中提取反電動勢的3次諧波分量，并進行積分，積分值為零時即得功率器件的開關信號
[4]
。反電動勢3次諧波信號的獲取有兩種方式:一種利用電機中性點和并聯于電機三相繞組端的星形電阻的中性點來得到反電動勢的3次諧波分量；在沒有中性點引出的電機，可以利用直流側中點電壓和星形電阻網絡的中性點來獲得反電動勢的3次諧波分量；然后對獲得的信號進行濾波，濾掉3次諧波的高次分量，由于高次分量的最低為9倍的基波頻率，對濾波器要求低。因而它比反電動勢直接過零比較有更寬的運行范圍。這種方法避免了逆變器開關造成的干擾，但是3次諧波的幅值小于反電勢的幅值，不易檢測，特別是低速的情況下，3次諧波信號更弱，難以獲得轉子位置信號。
4.
續流二極管法
這種方法是通過監視并聯在逆變器功率管兩端的自由換向二級管的導通情況來確定電機功率管的換向時刻。BLDCM 三相繞組中總有一相處于斷開狀態, 于是通過監視6個續流二級管的導通關斷情況就可以獲得6個功率管的開關順序。該方法可以提高電機的調速范圍，特別是可以拓寬電機的調速下限。但是這種方法要求逆變器必須工作在上下功率管輪流處于PWM斬波方式，增大了控制難度；另外，對于續流二極管導通的無效信號和毛刺干擾造成的誤導通信號的去除也不易實現。這種方法也存在著較大的檢測誤差，反電勢系數、繞組電感量不是常數、反電勢波形不是標準的梯形波等都會造成轉子位置誤差。由于這種方法需要在二極管上并聯檢測電路，這對于集成的功率器件（如IPM）很難實現。正因為以上種種缺點，所以這種方法在國內應用并不是很廣泛，相對來說技術也不是很成熟。
5.
電感法
電感法有兩種形式：一種是用于凸極式永磁無刷直流電機，另一種是用于內嵌式磁鋼結構的永磁無刷直流電機。第一種電感法主要是通過在起動過程中對電機繞組施加探測電壓來判斷其電感的變化。在凸極電機中，繞組自感可表示成繞組軸線與轉子直軸間夾角的偶次余弦函數，通過檢測繞組自感的變化，就可判斷出轉子軸線的大致位置，再根據鐵心飽和程度的變化趨勢確定其極性，從而最終得到正確位置信號。這種方法難度較大，且只能應用于凸極電機，所以現在較少應用。與第一種方法相比，第二種方法才是真正意義上的電感法。在內嵌式永磁無刷直流電機中，繞組電感會因為轉子位置的改變而發生相應變化，通過檢測這些變化，再經過一定計算，即可得到轉子位置信號。該方法中，需要對繞組電感進行不間斷的實時檢測，增加了實現的難度，應用不是很廣泛。
6.
狀態觀測器法
“狀態觀測器法”的基本思想就是以電機的轉速、轉子位置角、電流等參數為狀態變量，在定義狀態變量的基礎上對電機建立數學模型，通過數字濾波的方法得出狀態變量的離散值，從而實現對電機的控制。“狀態觀測器法”比較好的解決了電機在高速、重載情況下難于控制的問題，其良好的抗干擾能力使其更適用于惡劣的工作環境。“狀態觀測器法”龐大的運算量在一定程度上限制了它的應用。這種方法一般采用數字信號處理器（DSP）來承擔龐大的運算量，因而增加了系統成本，在實際應用中并不多見。
目前最成熟的還是反電勢方法
BLDC無刷直流電機除了使用傳感器進行換向控制，還可以通過sensorless控制，這是一種創新的無傳感器的控制方式。這種新型的BLDC控制方式令電機實現小型化，減少電機零部件。在一些配套產品中不能滿足電機搭配傳感器的需求時，無傳感器的控制方式能擴大電機的使用領域。更重要的是，采用這一控制方式，還能對電機內部布局進行優化，提高電機系統的散熱性能。
無刷直流（BLDC）電機正迅速成為要求高可靠性，高效率和高功率體積比的應用的自然選擇。這些電機在很寬的速度范圍內提供大量的扭矩，并且與有刷電機具有相似的扭矩和速度性能曲線特性（盡管有刷電機可提供更大的靜止扭矩）。
BLDC電機由于消除了傳統直流電機換向時使用的電刷而具有顯著的可靠性。刷子磨損，降低了電機的性能，最終必須更換。相反，在額定參數范圍內運行時，BLDC電機的預期壽命可超過10，000小時或更長。與傳統裝置相比，這種壽命以及隨后的維護和備件成本的降低可以抵消電機的較高初始成本。
不懂不問：硬件工程師薪資不高！？那是你沒看這個
BLDC電機正在進入最具成本意識的應用領域。例如，在汽車領域，BLDC電機的使用正在飆升。汽車制造商尤其被電機在機械工作中轉換電能的效率所吸引，這有助于降低對車輛電力系統的需求（圖1）。
BLDC電機的這種興趣促使芯片供應商為該單元的電子控制系統開發定制的單片芯片。本文將詳細介紹BLDC電機控制芯片 - 用于驅動逆變橋的設備，最終激活電機線圈并控制速度和方向等參數。
01 減少霍爾傳感器故障
飛兆半導體公司擁有BLDC電機控制的悠久歷史，最近推出的FCM8201芯片仍在繼續。該器件專為感應BLDC電機控制而設計。（傳感電機需要霍爾效應傳感器來指示線圈位置以輔助電子換向序列）。
FCM8201的關鍵技術進步是它可以選擇脈沖寬度調制（PWM）模式。有兩種PWM模式可供選擇：正弦波模式和方波模式。方波模式包括PWM-PWM和PWM-ON技術，可提高電機驅動效率。
Fairchild解釋說，該器件還內置霍爾信號調節電路，可為每個傳感器信號輸入產生3至6μs的“去抖”時間。該電路減少了霍爾傳感器信號轉換緩慢時可能出現的毛刺 - 以及隨后的錯誤。
FCM8201可以在沒有外部微控制器（MCU）的獨立配置中使用，或者如果設計人員想要添加比標準設備支持更多的電機控制功能，則可以通過串行外設接口連接外部MCU（ SPI）接口。圖2顯示了FCM8201的典型獨立應用電路。只需幾個外圍元件即可完成BLDC電機控制電路。
02 使用電機磁通進行無傳感器控制
無傳感器BLDC電機取消霍爾傳感器，而是依靠電機轉動時產生的反電動勢的大小來估算線圈位置并確定正確的換向順序。
無傳感器控制是一種流行的技術，因為它簡化了電機的機械設計，但一個缺點是電機靜止時不會產生反電動勢，而電機低速運行時則很少。這使得控制器難以確定線圈的位置。
針對低成本BLDC安裝，德州儀器（TI）推出了InstaSPIN-BLDC電機控制技術來解決這一問題。該公司表示，InstaSPIN-BLDC是一種無傳感器控制技術，在50多種不同電機類型的現場測試中，能夠在不到20秒的時間內啟動和運行每臺電機。簡而言之，TI將InstaSPIN-BLDC描述為在三相BLDC電機上執行無傳感器換向的軟件方法。據該公司稱，它的優勢包括電機調試非常快速，即使在低速時也能實現強大的控制，以及超越速度擾動的卓越能力。
與基于反電動勢過零時序的其他無傳感器BLDC控制技術不同，InstaSPIN-BLDC監控電機的磁通量，以確定何時換向電機。在自由圖形用戶界面（GUI）的幫助下（圖3），用戶在繪圖窗口中確定通量信號，并設置“通量閾值”滑塊以指定電機應換向的通量水平。TI表示，可以通過觀察GUI上顯示的相電壓和電流波形來驗證最佳換向。
圖3：TI的InstaSPIN-BLDC使用一個免費的GUI來啟用設計工程師為快速電機啟動設置磁通閾值。
與磁通信號不同，低傳感器BLDC電機在較低速度下產生的低反電動勢信號導致較差的信噪比（SNR）性能。該公司聲稱InstaSPIN-BLDC可在低速下實現更平穩的操作，即使在重負載下也能提供更可靠的電機啟動。
TI為其InstaSPIN-BLDC提供培訓模塊。該公司還提供使用DRV8312/32 BLDC電機驅動器的三相BLDC電機套件（DRV8312-C2-KIT）和帶有F controlCARD子系統的Piccolo MCU，以運行無傳感器InstaSPIN-BLDC技術。該公司發布了一份應用報告，詳細說明了如何設置系統。
03 設計的靈活性
一些制造商提供沒有集成處理器的驅動芯片，以便熟悉特定MCU的設計人員使用該設備進行監督電路。或者，與上述Fairchild芯片的情況一樣，一些供應商允許設計人員通過添加更強大的外部MCU來覆蓋內部處理器。
傳感器和無傳感器BLDC電機的優勢在于它們越來越多地應用于以前由傳統電機主導的應用。雖然比后者更昂貴，但這種前期費用可以抵消較低的維護成本和BLDC電機的較長壽命。
希望利用這些輕巧，緊湊，功能強大的電機的設計人員會發現，通過引入主要芯片供應商的芯片和設計工具，控制系統設計變得更加容易。還有一些選項可以讓設計師在設計中獲得更大的靈活性，從而增加將最終產品與競爭對手區分開來的機會。
峰岹科技68系列(6801、6802、6803、6804)是集成 8051 內核和電機控制引擎(ME)的“雙核”電機驅動MCU，8051 內核處理常規事務，ME 處理電機實時事務，雙核協同工作實現各種高性能電機控制。低壓應用芯片內部集成MOSFET驅動電路。其中 8051 內核大部分指令周期為 1T 或 2T，芯片內部集成有高速運算放大器、比較器、Pre-driver、高速ADC、高速乘/除法器、CRC、SPI、I2C、UART、多種 TIMER、PWM 等功能，內置高壓 LDO，適用于 BLDC/PMSM 電機的方波、SVPWM/SPWM、FOC 驅動控制，可廣泛應用于電動工具、電調、園林工具、消費電子等領域。此處以6861系列芯片為例，介紹本公司三相無感BLDC控制器方案的特點。
FU6861芯片特性：
“雙核”：高速8051內核，專用電機控制引擎(ME)；
寬電壓輸入：5V~36V；
內置6N Pre-driver驅動；
Pre-driver輸出峰值電流：H:0.8A；L:0.8A；
8通道12位高速ADC；
集成4個運算放大器；
集成4路比較器；
I2C/SPI/UART接口；
16Kx8bit Flash ROM、帶CRC校驗功能、支持程序自燒錄和代碼保護功能堵轉保護（堵轉信號輸出）；
256x8bit IRAM，768x8bit XRAM;
單周期16*16位乘法器，32 / 16位除法器（16個時鐘周期）；
兩線制 ICE 在線仿真功能；
4級優先級中斷、16個中斷源；
內置24MHz±2%精準時鐘；
應用：電動工具 園林工具 航模電調 消費電子
FU6861Q(QFN56)。
圖1 FU6861Q框圖
FU6861方波驅動特點：
1、 驅動方式方波，初始位置檢測，啟動力矩大；
2、 內部軟件完成速度閉環以及限流；
3、 集成MOSFET驅動電路，驅動電流大，可靠性高；
4、 集成反電動勢過零比較器，通用運算放大器，簡化外圍電路；
5、 無感電機啟動參數外部可調，不同負載電機均能順利啟動；
6、 多種調速方式；
7、 方案成熟可靠，開發周期短。
方案應用：
圖2所示為FU6861電動工具應用的電機驅動板PCBA，配合公司成熟代碼幫助客戶快速完成項目。
圖2 FU6861電動工具驅動板PCBA
電動工具評估板特性:
8~36v輸入電壓
無HALL方波控制
15A輸出電流，90A峰值電流
電位計調試，按鍵啟停，按鍵正反轉
故障報警指示
原理圖：
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前20條
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目前大多數FOC
BLDC驅動器都需要軟件開發人員通過微處理器編寫算法實現對電機的控制，但QuietMotion器件集成了Allegro創新的FOC算法，這些先進的算法能夠實現穩定，安靜的運行，同時無需編寫軟件。這大大降低了研發費用，縮短了產品上市時間。同時，由于系統設計只需五個外部元器件，還可以最大限度地降低物料清單（BOM）成本，提高可靠性，并降低設計的復雜程度。AMT
是一款三相無傳感器無刷直流 (BLDC) 電機驅動器（柵極驅動器），工作電壓范圍
5.5 - 50V，是Allegro 首批 QuietMotion 解決方案之一。AMT
是吊扇、底座風扇、浴室排氣扇和家用電器風扇和泵的理想選擇。完全集成定向磁場控制 (FOC)
的算法可以實現最佳效率和噪聲性能。該設備可在靜止狀態、風車狀況甚至反向風車狀態下優化電機啟動性能。電機速度通過模擬、PWM 或
CLOCK 輸入控制。可選閉環速度控制，可對 RPM 到時鐘頻率比進行編程設置。提供簡單的
I2C 接口，用于設置電機額定電壓、額定電流、額定速度、電阻和啟動曲線。AMT
采用 24 觸點 4
mm×4 mm QFN 封裝（帶外露散熱焊盤，后綴 ES）以及 24 引線 TSSOP 封裝（帶外露散熱焊盤，后綴
LP）。這些封裝均為無鉛產品，采用 100% 霧錫電鍍引腳框。
該芯片特色：
無編碼無傳感器定向磁場控制（FOC）專有的非反向快速啟動軟啟動軟關閉 (SOSO) 實現安靜運行模擬/ PWM
/時鐘模式速度控制閉環速度控制可配置電流限值風車啟動運行鎖定檢測短路保護 (OCP)制動和方向輸入
該產品系列包括首次面市的集成了磁場定向控制算法（FOC）的無刷直流（BLDC）電機控制IC（無需客戶編寫代碼），這些器件可以幫助設計者縮短開發設計周期，并且同時達到可靠、高效、可聽噪音低的控制效果。
目前大多數FOC
BLDC驅動器都需要軟件開發人員通過微處理器編寫算法實現對電機的控制，但QuietMotion器件集成了Allegro創新的FOC算法，這些先進的算法能夠實現穩定，安靜的運行，同時無需編寫軟件。這大大降低了研發費用，縮短了產品上市時間。同時，由于系統設計只需五個外部元器件，還可以最大限度地降低物料清單（BOM）成本，提高可靠性，并降低設計的復雜程度。
采用Quietmotion器件的控制電機最大優勢是非常安靜（低噪音），易于實現，且具有很高的效率。
Allegro功率器件業務部副總裁Vijay
Mangtani解釋說：“QuietMotion系列所實現的目標是電機驅動器的未來發展方向。我們的QuietMotion系列產品非常高效，而且方便系統集成，其靈活的用戶界面和開發板能夠使客戶輕松地調整和評估各種電機，縮短開發時間，并能夠使用極少量的外部組件來完成產品設計。”
Allegro
QuietMotion產品系列的第一個成員為AMT，這是一個適用于需要高效率和低噪音應用的理想解決方案，如立式和吊式風扇、加濕器、除濕器、空氣凈化器和排氣扇等。AMT采用嵌入式專有無窗正弦算法和軟啟動算法，能夠提供可靠、業界領先的低噪音性能。
A
也是QuietMotion家族的一個成員，該器件除了能夠提供超安靜的運行外，還具有更高級應用所需的靈活性和可配置功能，適用于高端電器風扇、高端吊扇和空氣凈化器等應用。A專門針對要求低速運行的系統而設計。
Vijay Mangtani
補充道：“Allegro致力于技術創新，并通過不斷開發智能解決方案為客戶帶來更大競爭優勢，我們很高興將這一新的QuietMotion產品系列推向市場。”
AMT和A的輸入電壓額定值為5.5V～50V，工作溫度范圍為-40～105。這些產品可采用24觸點、4
mm×4 mm
QFN（后綴ES）或者24引線、TSSOP封裝（后綴LP），都帶有裸露的散熱焊盤，所有封裝都是無鉛產品，引腳框為100%霧錫電鍍。
欲了解QuietMotion家族以及AMT和A器件的價格和其他信息，請聯系Allegro代理商上海瑞齊德電子“
趙先生@163.com。
AMTGESSR
24-lead QFN
-40°C to 105°C
AMTGLPTR
24-lead TSSOP
-40°C to 105°C
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