低噪音且高耐用性的無刷直流電機廣泛用于許多領域，包含工業應用、汽車及家庭。本文說明借由使用微控制器偵測轉子初始位置以進行電機控制的方法，對此等電機的控制非常有幫助。此方法解決許多容易發生在無傳感器電機上的各種問題，借由平順且快速的高扭力啟動，實現極致高效系統。

使用無刷直流電機時，設計師有多種控制原則可選擇。為保持低成本，通常會省略檢測轉子位置的傳感器（無傳感器原則），而采用另一種方法，例如根據電機的反電動勢預估位置。但此無法提供電機停止時的轉子位置信息，因此無法依據轉子位置在啟動時控制電機，故可能因啟動時非必要的反向旋轉等情況，而導致效率降低。納入初始位置檢測功能即可解決此等問題（圖1）。

圖1、考慮無傳感器無刷直流電機

本文說明能有效控制無傳感器無刷直流電機的初始轉子位置檢測，透過使用控制電機的微控制器，實現此初始位置檢測。借由應用本文所述的方法，可實現無傳感器、平順、快速且高扭力的啟動。此技術對于電動工具、輸送設備、機器人、水泵、鼓風機等的開發非常有效。

解決容易發生在無傳感器電機上的啟動問題

圖2說明無刷直流電機控制中初始轉子位置的定位技術。

可利用如120度傳導法（梯形控制）或矢量法（正弦控制）等進行三相無刷直流電機控制。120度傳導法每60度切換一次三相激磁模式，在線圈的磁通量與轉子永久磁鐵之間產生扭力。此方法相當易于實施，因此被廣泛使用。另一方面，矢量法將電機的電流值分成精確控制的扭力分量及磁場分量，因而大范圍的實現從低速到高速的高效率控制，但此法需要復雜的算術處理，會增加CPU的負荷。

圖2、應用于無刷直流電機的技術

不論是120度傳導法或矢量法，針對轉子位置檢測都有感測及無傳感器的解決方案。本文僅著重于120度傳導法。霍爾傳感器（磁性傳感器）通常用于使用120度傳導法的感檢測系統，但這會增加系統成本，而且霍爾傳感器也有不耐熱的缺點。

另一方法，無傳感器系統依賴各種與電機旋轉有關的現象例如產生的反電動勢，以預估轉子位置。但這會阻礙電機停止時的轉子位置檢測，因此無法在電機啟動時，根據轉子位置進行正確的控制。當應用程序的啟動行為沒有問題時，可忽略轉子位置并執行強制啟動，但在以下情況中則不適合：

- 應避免啟動期間非必要的反向旋轉，

- 需要快速且平順的啟動，

- 應保持啟動時低電流消耗。

在這些情況下，必須檢測初始轉子位置以進行適當控制。

整合無傳感器電機控制需要的所有功能

在詳細說明實施無傳感器初始轉子位置檢測前，本文將先就設計用于電機控制的微控制器－瑞薩RL78/G1F微控制器（以下稱G1F）做說明。本產品為瑞薩電子低階微控制器RL78系列的一部分（參見圖3）。此系列中，G1F屬于“一般用途”子類（G1x），且包含使RL78/G1F適合電機控制應用的專門特性組合。RL78/G1F與電機控制應用有關的部分功能包括：

- 用于電機控制的Timer，支持64MHz芯片上振蕩器頻率，

- 附DAC的高速比較器，用于參考電壓，

- 高電壓轉換速率可編程增益放大器 （PGA），

- A/D轉換器等。

利用G1F的周邊功能實施無傳感器120度傳導控制的電路配置如圖4所示。16位Timer（Timer RD）產生逆變器控制所需的三相補償PWM訊號。基于安全考慮，利用可編程增益放大器（PGA）及比較器（CMP0）檢測過電流，故可強制關閉PWM訊號，無需CPU介入。

圖3、RL78系列規劃

圖4、無傳感器120度傳導控制之電路配置

利用可選擇的4輸入比較器（CMP1）及具有輸入擷取（捕獲）功能的Timer（Timer RX），檢測初始轉子位置。開始旋轉且可取得反電動勢后，可利用通過零點 （zero-cross） 檢測，決定轉子位置。以三相中性點輸入為基準，比較器進行通過零點檢測。或者亦可利用10位A/D轉器（ADC）取得數值并進行通過零點檢測。使用比較器的第一種方法適合高準確度及高速度操作，而使用A/D轉換器的第二種方法（無比較器）較適合中／低速應用。

結合兩種處理步驟以縮短檢測時間

無傳感器初始轉子位置檢測包含以下兩個處理步驟。

步驟1：在180度以內的位置檢測

步驟2：極性檢測

步驟1系以三相電機端子之間的電感會因轉子位置（變化）而有所不同的事實（參見圖8）。電感差異會影響下游端子（此例中即為MCU或示波器）的電壓上升行為，而此為檢測的基礎。此步驟決定磁鐵沿三個相位（U、V及W）之一的方向，但尚未決定極性（北或南），因為相同的變化會在整個360度電氣角度范圍內重復兩個周期。

而步驟2采用的事實則是電機永久磁鐵產生的磁通量與電流通過線圈產生的磁通量之影響會導致線圈鐵芯材料磁飽和，而使電流更容易流動。因此能識別永久磁鐵的磁極方向。結合步驟1和步驟2的結果，即可檢測整個360度范圍內的轉子位置。

不同的電機類型會有一定的差異，但處理步驟1時的目標電流非常小，且量測只需要幾毫秒的時間。相對而言，步驟2則要應付相對較大的電流，且量測時間則增長約100倍。

實際上，即使只對三相執行處理步驟2（三次），仍能以60度的分辨率檢測到轉子的初始位置。但此牽涉到較長的處理時間而且必須面對較高的電流。故本文所述之解決方案旨在借由整合處理步驟1和2，實現更高的效率。

處理步驟1：借由比較相位之間的電壓上升行為進行評估

180度以內的位置檢測程序說明如下。使用的G1F周邊功能配置如圖5所示。

圖5、處理步驟1電路配置（180度以內之位置檢測）

首先，在U相上施加電源電壓，并量測V相電壓 （VUV） 達到門坎（檻）參考電壓 （VREF1） 時經過的時間。此程序的操作原理如圖6所示。將VUV及VREF1相電壓檢測輸入傳送至比較器 （CMP1） 進行匹配檢測，并利用Timer RX的計數器值決定當VUV與VREF1相符的時間。Timer RX開始計數，與Timer RD的PWM輸出同步，并與CMP1同步捕獲計數值。

圖6、施加U → V電壓并量測達到比較參考電壓的時間

分別針對全部三個通道U → V、V → W及W → U執行本程序，并按照以下標準決定轉子沿三個軸的位置：

若tUV 》 tVW 及 tWU，則轉子的磁極方向為沿W軸方向（參見圖7）。

CMP1最多可使用四個切換外部輸入，進行匹配比較。由于上述操作使用其中三個輸入，故可利用時間量測值達到可重復的結果。

圖7、依據U → V、V → W及W → U的量測時間檢測轉子位置

由于永久磁鐵磁場的效應，相應相位端子之間的電感會隨轉子位置而改變，而此效應的大小亦會以相同的趨勢改變Timer RX的計數值。舉例來說，假設端子間電感、轉子位置及Timer RX計數值的變化如圖8所示，則可利用產生的圖形決定轉子位置。以圖7為例，在圖8中，電氣角度60度及240度時會建立 tUV 》 tVW ≒ tWU 關系。由于此變化在整個360度范圍內重復兩次，故在任意點上無法判斷兩個角度（相差180度）中的哪一個是正確的。

圖8、端子間的電感變化取決于轉子位置與Timer RX計數值

端子之間的電感及隨轉子位置之變化會因電機而有所差異。此外，輸出至CMP1的相電壓行為不僅受到電機電感的影響，亦會受到逆變器電路的影響。因此，用戶需要先依據轉子位置評估Timer RX計數值的變化并設定CMP1的比較參考電壓。

處理步驟2：比較并聯電壓行為以進行比評估

本節說明用于極性檢測的第二個處理步驟。使用的G1F周邊功能配置如圖9所示。由于此程序以電機電流作為微控制器的輸入電壓，故需要分流電阻。此輸入可用于旋轉時的過電流檢測。

圖9、處理步驟2（極性檢測）電路配置

依據處理步驟1的結果，可識別磁鐵指向方向的相位。此步驟中，在繞組+ve（一相）及–ve（兩相）之間施加特定電流，持續固定的時間 （tCONST）。 利用可編程增益放大器 （PGA） 放大該點（電流檢測輸入）的并聯電壓，并以A/D轉換器 （ADC） 量測。圖10上方電路（紅色訊號路徑）顯示當電流從W流向U及V時的訊號。

圖10、W → U、V電流及U、V → W電流時的并聯電壓量測

接著，讓電流以反向流動相同的時間 （tCONST），并進行同樣的并聯電壓量測。圖10下方電路（藍色訊號路徑）顯示當電流從U及V流向W時的訊號。

可利用這兩個量測值間的大小關系決定永久磁鐵的磁通量方向。在圖11的例子中，當電流從W流向U及V時的電流值 （IW+） 大于電流反向流動時的電流值 （IW-）。因此，可判定轉子方向為W相磁通量增強的方向（電流從W到U的磁通量方向，V與永久磁鐵的磁通量方向相同）

圖11、轉子極性評估電流（并聯電壓）

依據處理步驟1和2的結果，可決定轉子初始位置。

更多信息請訪問瑞薩電子網站

瑞薩電子網站提供本文所述初始轉子位置檢測方法的詳細信息，包括應用說明、程序代碼范例、示范影片等。影片提供親眼證實電機啟動動作如何因有／沒有初始位置檢測而改變。如需更多信息，請利用以下URL連結。

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