BLDC 电机控制：无传感器无刷直流电机控制器

1、有刷和无刷直流电机快速回顾

无刷直流 （BLDC） 电机已与其前身有刷直流电机相比变得非常受欢迎（见下图）。顾名思义，“有刷”直流电机使用电刷和换向器来控制电机转子的运动。

图1. 有刷直流电机使用电刷和换向器。

同样，顾名思义，无刷直流电机不使用电刷;电机运动通过精心设计的驱动信号进行控制。与有刷电机相比，无刷电机具有更高的可靠性、更长的使用寿命、更小的尺寸和更轻的重量。BLDC 电机在效率至关重要的应用中越来越受欢迎，一般来说，BLDC 电机被认为是能够在宽速度范围内提供大量扭矩的高性能电机。

一些 BLDC 电机使用霍尔效应传感器来检测电机转子相对于电机定子的位置（参见下面的图 2）。

图2. 使用霍尔效应传感器的 BLDC 电机。

其他电机没有传感器;它们被称为无传感器 BLDC 电机。代替使用霍尔效应传感器来确定转子的位置和/或速度，采用了一种称为反电动势的现象（见下面的图 3）。

图3. 使用反电动势的无传感器 BLDC 电机控制。

2、无传感器无刷直流电机控制

无传感器 BLDC 电机控制（有时称为 BLDC 电机的无传感器梯形控制）使用反电动势 （BEMF） 来确定电机转子（电机的旋转部分）相对于电机定子（固定部件）的位置。

施加在电机绕组上的电压迫使电机转子转动。然而，转子通过电机磁场的运动类似于发电机的行为，因此电机不仅接收施加的电压，而且还产生自己的电压。该电压称为反电动势或反电动势，与电机的转速成正比。反电动势可用于确定电机的转子速度和位置，无需传感器。通过反电动势控制电机并非易事;大多数无传感器 BLDC 电机使用微控制器、数字信号处理器或专用驱动器 IC 进行控制。下图显示了典型的无传感器 BLDC 电机驱动器。

图4. 典型的无传感器 BLDC 电机驱动器。

这是一款三相无传感器电机驱动器，集成功率 MOSFET，能够提供高达 2 A 的连续驱动电流。它高度集成，几乎不需要外部元件。

图5. 无传感器 BLDC 电机控制驱动器。

并非所有无传感器 BLDC 电机控制器都集成了 MOSFET。例如，考虑一下 Allegro 的 A4964。该器件需要使用外部N沟道功率MOSFET;它可以与微控制器配合使用，也可以作为独立的单芯片电机控制器运行。

图6. Allegro 的 A4964 无传感器 BLDC 控制器既可以与微控制器配合使用，也可以作为独立的电机控制器运行。

如前所述，术语梯形有时用于描述无传感器 BLDC 电机控制器。查看下图时，很容易理解原因：三个电机相位中每个相位的电压波形都具有梯形形状。

图7. Microchip 的 AN970 显示霍尔效应传感器波形和相应的反电动势梯形波形。

3、无传感器 BLDC 电机控制器的缺点

当无传感器 BLDC 电机的转子旋转时，其无传感器方案可以完美工作。然而，当电机的转子静止时，情况并非如此，这导致我们使用无传感器 BLDC 电机的一个主要缺点。当电机转子不转动时，不会产生反电动势。如果没有反电动势，驱动电路就缺乏正确控制电机所需的信息。

针对此问题，我们提供了两种解决方案，如其 DRV10983 数据表（第 17 页）中所述：

1. 使用 DRV10983 的初始位置检测 （IPD） 功能“根据 BLDC 电机中经常存在的确定性电感变化”确定转子位置。
2. 或者，使用对齐即用技术。使用这种方法，在其中一个相位上施加电压以迫使转子进入已知的对齐状态。

使用无传感器 BLDC 电机的另一个缺点与反电动势和角速度之间的关系有关。较低的速度意味着更少的反电动势，因此霍尔效应 BLDC 电机在低速应用中可能比无传感器 BLDC 电机更有效。

4、结语

与标准有刷电机相比，无刷直流电机具有显著优势。无刷直流实现可以是无传感器的，也可以基于集成到电机中的霍尔效应传感器（第三种选择是使用外部角位置传感器）。无传感器系统降低了成本，并且需要更少的驱动器模块和电机之间的互连;它们可能有些复杂，但高性能集成电路有助于简化设计任务。虽然无传感器系统通常更可取，但对于低速应用，使用霍尔效应传感器可能是更好的选择。