ADC采樣積分方式的BLDC方波無感控制的原理
發(fā)布時間:2020-12-03 來源:Hardy Zhou 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】本文主要參考了TIDA-010031參考設(shè)計,分析下ADC采樣積分方波無感控制的原理,方便大家更好地完成類似的方案設(shè)計。下面是典型的三相BLDC電機控制框圖:
1.下面是典型的三相BLDC電機控制框圖.
三個半橋驅(qū)動BLDC無刷電機,檢測低邊總線電流
2.典型的BLDC電機相電流和反電動勢波形圖分析
從波形上看,每60度電角度,只有兩個半橋有驅(qū)動電壓輸出,另外一個半橋上下管全關(guān),這個相電壓是懸浮態(tài)。
BLDC電機運行后,相線都有反電動勢。
電機反電動勢來源于電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)引起磁通的變化,而磁通的變化在定子繞組上會產(chǎn)生感應(yīng)電壓。
對同一個電機來說,反電動勢峰值跟電機轉(zhuǎn)速幾乎是固定的比例。
3.反電動勢過零點到峰值的反電動勢電壓和時間的積分
根據(jù)上面對反電動勢峰值跟轉(zhuǎn)速(電頻率)幾乎成固定比例的描述,設(shè)定 。Vm為反電動勢峰值, 對于同一個電機,我們可以認(rèn)為Kv幾乎不變。
以上圖左邊的藍(lán)色區(qū)域為例,該區(qū)域(反電動勢過零點時刻到下一次換相點時刻之間的區(qū)域)的電角度是30度,也就是電角度(360度)的1/12。
設(shè)當(dāng)前電機電頻率為f, 單位為Hz。
反電動勢的峰值電壓為 ,單位為伏特。
設(shè)反電動勢從center tap value到最大值的時間為t1, 而。
那么藍(lán)色積分區(qū)域的積分值就等于藍(lán)色三角形的面積:
可以看到,積分結(jié)果是Kv值的,因此積分結(jié)果也是幾乎不變的。
所以我們可以根據(jù)積分的值跟固定閾值作比較來判斷換相點。
4.ADC如何采樣反電動勢
方波無感BLDC的ADC采樣積分控制,電路設(shè)計有三相相電壓ADC采樣電路,每60度電角度區(qū)間電機的兩相由于半橋有輸入電壓同時有電感電流,在不增加額外電路的情況下很難獲得反電動勢電壓,而懸浮相由于沒有半橋電壓輸入和電感電流,所以可以從檢測該相端電壓推導(dǎo)出該相實際的反電動勢電壓,具體可以看下面的推導(dǎo),推導(dǎo)過程參考了TI的參考設(shè)計TIDA-010031 http://www.ti.com/lit/ug/tiduej4/tiduej4.pdf?ts=1588819919326
所以如果對這個電機控制方法感興趣的,可以在TI官網(wǎng)上查看該參考設(shè)計的軟硬件開發(fā)資料。
設(shè)計上采用下管常開,上管打PWM的策略驅(qū)動電機??紤]到電機驅(qū)動的PWM duty的大小是變化的,可以根據(jù)半橋上管ON的時間長短來決定采樣策略,因為如果上管導(dǎo)通時間太短,為了避開MOSFET開通關(guān)斷的影響,留給采樣的時間就變得很少,不利于采樣的準(zhǔn)確性.
● 在上管ON的時間比較長時,在上管ON時遠(yuǎn)離MOSFET開關(guān)時刻檢測懸浮相的反電動勢電壓(一般在ON時間的正中間進(jìn)行采樣)。
此時的驅(qū)動邏輯是A相上管導(dǎo)通,B相下管導(dǎo)通, 所以有。
Ea, Eb, Ec為電機三相反電動勢電壓,va, vb, vc為三相半橋中點電壓,也就是電機三相輸入電壓。
La, Lb, Lc為電機三相相電感,ia, ib,ic為電機三相輸入電流,Ra, Rb, Rc為電機三相輸入電阻(考慮三相電阻相等), vn為電機三相中點電壓。
可以得到當(dāng)Ec=0,也就是反電動勢過零時,, 也就是說當(dāng)ADC檢測到時,就意味著這個時刻是C相的反電動勢過零點, 那么理論上再經(jīng)過1/12 的電周期時間,電機就需要進(jìn)行換向.
● 上管ON的時間比較短時,在上管OFF時檢測懸浮相的反電動勢電壓(一般在OFF時間的正中間進(jìn)行采樣)
此時的驅(qū)動邏輯是A相上管關(guān)閉,B相下管仍導(dǎo)通,此時A相下管MOSFET體二極管續(xù)流,所以有。
得到當(dāng)Ec=0,也就是反電動勢過零時,vc=0, 也就是說當(dāng)ADC檢測到vc=0時,就意味著這個時刻是C相的反電動勢過零點, 那么理論上再經(jīng)過1/12的電周期時間,電機就需要進(jìn)行換向.
從上面的分析,我們可以看到,使用ADC采樣積分方式進(jìn)行無感BLDC控制,設(shè)計上需要注意以下兩點
1. 積分閾值跟電機的反電動勢峰值和轉(zhuǎn)速比值相關(guān),可能會隨著電機不同而不同,需要針對電機進(jìn)行調(diào)整。
2. 上管做PWM驅(qū)動的設(shè)計下, 可以采用不同的ADC采樣策略來針對大duty和小duty的情況,同時反電動勢過零點的判斷也需要調(diào)整
3. 電機高速情況下,電頻率相對比較高,而ADC積分采樣基于PWM開關(guān)周期采樣的,所以要獲得比較準(zhǔn)確的換相點,需要比較高的開關(guān)頻率,如果開關(guān)頻率比較低,意味著采樣速率慢,可能會造成換相延遲比較大,從而影響電機的正??刂?。
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