永磁無刷直流電機控制在電動、園林工具上的應用

1?電動工具、園林工具介紹及控制難點

電動、園林工具現在在人們的生活中已經廣泛應用，極大的方便了人們的生產、生活。像電動扳手、槍鉆、電錘、角磨等工具在工業生產、基建裝修是隨處可見的；而園林工具現階段可能還是國外歐美地區用的更多，像割草機、暴風機、打草機等很多老外都有自己的私人花園、草地對工具這類需求是比較求旺盛的。而隨著居民生活水平的不斷提高，消費質量也在明顯改善，對各類工具的需求也是越來越強烈，對工具的使用也是在不斷追求更智能化。

早期的電動工具主要都是靠交流電機、有刷直流電機；它們缺點也是很明顯的，體積大、效率低，特別是有刷電機，因為有碳刷的存在，運行過程中有電火花，一些對靜電，防火等級較高的場所無法使用。同時碳刷在使用的過程中存在磨損，長時間使用需要定期更換。而隨著稀土永磁材料的發展以及半導體技術的不斷進步，無刷電機控制技術逐漸走向成熟，無刷電機有著更高的效率，配合電機運用矢量技術效率甚至可以到90%以上。矢量技術運用到直驅電機上，還可以大幅度降低噪聲和振動，用戶的使用體驗也會更佳。隨著控制技術的發展，對成本也越來越敏感，無位置傳感技術的應用在電動園林工具上也逐漸成為主流。

無刷無傳感電機主要優點體現在低成本，結構簡單，沒有碳刷的影響，使用壽命更長，稀土磁鋼的應用，功率密度可以做的更高，體積更小，采用直接驅動的方式，沒有齒輪轉動機構，噪聲，振動也能更小。

無刷無傳感電機控制技術特點主要體現在工藝簡單、可靠性高，成本更低；但是在不同工具上應用，因其工況不一樣隨著堵轉性能的要求不斷提高，技術難度也隨之增加，吹風機類的產品主要難度在與高轉速以及快速的順風起動；現在有些吹風機用外轉子電機其電周期都2K以上，對高轉速控制提出了更改高的要求。像電動扳手、修枝機類的產品要求有更快的啟動速度，進而獲得較大的啟動瞬時扭矩；而電鏈鋸，割草機類的產品啟動刀盤具有加大慣量，運行過程則會有大負載的工況，要求具備一定抗堵能力。槍鉆則不僅要求有一定的啟動扭矩，還要求具備一定的堵轉啟動能力，同時還要求具備很強的抗堵性能，特別是遇到大負載狀態，保持電機持續輸出扭矩。在一些要求高的場合還要求低速狀態下也能持續扭矩輸出，而且不失步，并在停止轉動時還能保持力矩輸出。以上都是DC類無傳感電動工具要求的一些技術特點，而難度最高的則是AC類小電容技術，沒有大電容來濾波穩壓，母線電壓周期性波動，同時要求電機轉速穩定，大負載狀態下抗堵能力強，對整個電機控制算法上有了更高的要求。

2 BLDC電機控制難點解決原理和方法

電機主要分直流電機和交流電機，直流電機中又分為電勵磁式和永磁式；電勵磁長常見就是串勵和并勵，在永磁式中主流就是有刷和無刷，無刷BLDC因其優異的性能逐漸占據市場。在交流電機中工業生產、生活中目前主要還是異步電機居多，無論單相還是多相；但是同步類的永磁電機因為其高效節能、加入一些智能化的控制和保護，也在逐漸取代異步電機。

這個圖片其實就是無刷電機的主要結構，結構也比較簡單，帶有磁鋼部分的是轉子，含有線圈部分則是定子；如果是有霍爾電機，則會在定子結構上排列霍爾傳感器。

無刷直流電機控制系統結構主要包括逆變器、電機本體、控制器、轉子位子檢測傳感器；控制器接收外部控制信號，并通過轉子位置傳感器獲取轉子位置；輸出控制信號控制逆變器的6路MOS管有序開通關斷，使電樞繞組依次饋電，從而在定子上產生跳躍式的旋轉磁場，進而驅動永磁轉子旋轉。

BLDC電機控制的難點之一關鍵就在如何有效獲取轉子的磁極位置，其二就是如何通過控制6個功率器件組成的3相半橋來控制電樞繞組通電順序，以形成跳躍式的旋轉磁場，驅動永磁轉子轉動。

首先要確定好BLDC電機6步換向的順序，從而形成跳躍式的旋轉磁場；我們先在左邊畫一張這樣向量圖，A+,B+,C+三者之間的夾角為120°，A+的反方向就是A-,依次類推。假設第一拍是A+B-,轉子要求順時針旋轉，那么下一排就是A+C-,再下一排就是B+C-,依次變換相鄰的一相，這樣6步換向的順序根據這張矢量圖也就很好的確定下來了。

我們先看右邊這張圖首先是A+C-通電，根據右手螺旋定則形成電樞磁動勢Fa，與初始轉子位置D軸方向是磁動勢Ff成120°夾角，隨著轉子轉動當夾角在60°時立馬換到下一拍A+C-；從而周而復始地換向，轉子也隨之轉動；轉子和定子之間的夾角的平均角度可以認為是90°。

對于無傳感驅動的無刷電機而言，關鍵就是轉子位置的精確可靠識別；轉子的狀態又分為靜止狀態還是運動狀態；靜止狀態可以通過6脈沖定位方式確定轉子初始位置，如果轉子在運動，低速狀態下因為反電勢變化緩慢，在有負載狀態下不能有效確定轉子位置變化，可以通過長短脈沖插入的方式確定轉子位置。如果轉子在高速運行，轉子位置變化趨勢明顯，可以通過反電勢過零點檢測的方式確定轉子位置及變化趨勢。

下面我們來看在中高速狀態下檢測反電勢過零點中常用的方案，一種是直接在PWM_ON時刻采樣三路ADC，并根據懸空相電壓是母線電壓的一半時，則認為檢測到了過零點；該方案硬件簡單，成本低廉，但是占用CPU資源較高，軟件控制相對復雜。

以上是對第一種方案，PWM_ON時刻的理論推導；簡化電機模型，列出三相動態平衡方程，C相因為是懸空相無導通電流，帶入式子簡化后可以得到ec等于0時；等于二分之一(UAG+ UBG)。

另一種方案則是ADC單路三次諧波電壓檢測，需要構建一個虛擬中性點，單一通道采樣，節省ADC通道資源，在ADC采樣速率受限的情況，可以以更小的占空比采樣反電勢；但是對電機有一定要求，要求電機的磁場三次諧波分量和三次繞組系數較大才行，不過電動園林工具類的電機基本是滿足該需求。

這種方式則是通過三路比較器實現，通過構建一個虛擬中性點，并把它作為比較器的反向輸入端，作為比較參考點，懸空相的反電勢隨著轉子轉動反電勢在過零點之前會比虛擬中性點小，在過零點之后會比虛擬中性點大，從而比較器會輸出相應的邊沿跳變，通過邊沿的跳變觸發IO口中斷實現換向動作；通過比較器形式實現過零點檢測軟件設計簡單，也能實現更高的轉速，一般3k的電周期沒問題，更高電周期則會受限于軟件的運行速度，在一個換向周期內，軟件相關的運算能否及時完成。

隨著半導體技術的發展，現在越來越多的芯片廠商將運放和比較器直接集成在芯片中，通過軟件控制切換通道，則只要一個比較器也能實現過零點檢測。這種方案外圍電路簡單，但需要加入一定的濾波，避免開關噪聲的影響。

對電機啟動要求高的應用，通常會采用輔助位置傳感器，確保啟動的高可靠性；高速階段采用無傳感方式控制。早期的無傳感控制通常采用三段式啟動，先預定位，再開環外同步加速，最后實現閉環過零點檢測控制。缺點就是在啟動階段易受負載轉矩的影響，容易出現失步。為了提高無傳感控制的啟動成功率，加入了轉子初始位置檢測，實現閉環直接啟動。

轉子初始位置檢測是通過注入6脈沖以實現定位轉子位置；主要原理是基于定子鐵心的磁飽和原理，轉子永磁體對帶鐵心的線圈繞組有增磁和去磁作用；當轉子N極靠近繞組線圈時，繞組線圈電感變小，當N極距繞組線圈±90°電角度，電感增大；如左邊圖所示。

根據矢量圖采用一正一反的方式注入6脈沖A+B-C-,A-B+C+;A+B-C+,A-B+C-;A-B-C+A+B+C-;

并根據獲得的6個電流值，找出其中的最大值，再比較最大值電流的電壓矢量相鄰的兩個電流值；采用這種形式一般可以精確到轉子電角度30°的位置。

低速動態轉子位置檢測采用的是注入長短脈沖的方式實現，連個相鄰的兩個短脈沖用于檢測轉子位置，當相鄰兩個電流值大小相等時，即可以認為到了換向點，立即切換到下一拍；同時2號短脈沖也要切換到相鄰的矢量脈沖，繼續檢測電流的變化趨勢；這樣就能確保在低速狀態下，也能準確換向不會失步。

3?基于MS8040芯片的電動園林工具方案介紹

MS8040是上海晟矽微電子針對電動園林工具市場開發的一款高性價比芯片；該芯片集成250V耐壓的高壓三相柵極驅動器， MCU內核是32位的ARMCortex-M0，芯片最高主頻48MHz 支持，32KBFLASH ROM，4K SRAM，12位高速ADC，多達10個外部通道。同時芯片還集成了2 個高性能電壓比較器和3個高增益運算放大器，能夠滿足絕大多數電機應用場合。想要更詳細了解芯片相關信息可以掃碼關注微信公眾號或登錄晟矽微官網直接獲取。

該原理圖是MS8040芯片16V槍鉆的典型硬件設計，已經在客戶端批量生產。

該方案支持直接采用三路反電勢ADC模式采樣，同時也支持在外部構建虛擬中性點用比較器檢測過零點，也支持單路反電勢虛擬中性點采樣模式檢測過零點；ADC和比較器也支持混合使用。

MS8040方波方案可以只采用單通道采樣，節省ADC通道資源，因為只需一路ADC反電勢采樣可以在更小空比下采樣。

基于虛擬中性點分壓反電勢采樣，中性點在PWM_ON時刻電壓一般呈弦波變化，其中點位置就是反電勢過零點位置，最大、最小值根據電機模型簡化可以得到如上圖兩個電路，并運用基爾霍夫定律，求出最大最小值，即可得中點位置電壓值，ADC采樣值和中點電壓閾值比較可以獲取到過零點信號。

過零點信號的有效提取，主要采用一個定時器，定時器1通道用于設置屏蔽過零點信號測檢測時間；在檢測到過零點信號后，屏蔽過零點檢測，避免續流信號干擾，并設置過零點屏蔽時間T2；T2的時間可以根據相鄰過零點時間T3設置，一般取T3的0.8-0.7范圍即可；定時器通道2用于延時換向時間T1的設置,在檢測到過零點信號后，讀取當前定時器計數值，并將定時器計數值清零；即獲取了上一刻過零點到當前一刻的過零點時間，也是6步換向，其中一扇區的時間，并將該扇區一半時間作為延時T1的值。到了相應的T1時間觸發中斷，進入定時器通道2中斷實現換向動作，經過時間T2，進入定時器通道1中斷中開啟過零點檢測。

4?實際應用問題以及解決方式

MOS管發熱嚴重時，特別是在小占空比情況MOS發熱很快，可以改用上下管互補調制的模式，相當于開關電源里面的同步整流模式，這樣在換向時刻的續流電流不經過下橋的體二極管，而是直接通過MOS內阻，導通損耗可以大幅度降低。右上角的波形即是采用非互補模式，負載較小時，續流電流也很小，在PWM_OFF時刻出現反電勢波形；當然如果負載較大時，續流時間較長，被下管鉗位也就不會出現。右下圖就是采用互補模式，小負載狀態下PWM_OFF時刻相線被強制接地，也就不會出現OFF時刻有反電勢波形。