本文討論了一種使用在數字信號控制器 （DSC） 上實現的多數濾波器來控制無刷直流 （BLDC） 電機的無傳感器技術。該算法利用多數函數對反電動勢 （BEMF） 進行數字濾波。對電機的每一相進行濾波，以確定何時對電機驅動電壓進行換向。
這種控制技術不需要分立的低通濾波硬件和片外比較器。無傳感器梯形控制有五個主要部分：
使用 DSC 上的模數轉換器 （ADC） 外設對梯形 BEMF 信號進行采樣
重建電機虛擬中性點
將梯形 BEMF 信號與重建的電機虛擬中性點進行比較，以檢測過零點
使用多數函數過濾器過濾來自比較的信號
換向電機驅動電壓
有傳感器控制與無傳感器控制
BLDC 電機具有緊湊的尺寸、可控性和高效率，可用于消費類和工業應用。它也越來越多地用于汽車應用，作為消除皮帶和液壓系統、提供附加功能和提高燃油經濟性的戰略的一部分。控制 BLDC 電機所需的磁鐵和電子設備成本不斷降低，這有助于其在越來越多的應用中使用，并在更高的功率水平下使用。
BLDC 電機通常與一個或多個轉子位置傳感器一起運行，因為電勵磁必須與轉子位置同步。出于成本、可靠性、機械封裝的原因，特別是如果轉子浸入流體中運行，則希望在沒有位置傳感器的情況下運行電機，這被稱為無傳感器運行。
可以通過在驅動階段之一期間感測未驅動電機端子上的 BEMF 電壓來確定何時對電機驅動電壓進行換向。無傳感器控制的明顯成本優勢是無需霍爾位置傳感器。如果低成本是主要考慮因素，并且不需要低速電機運行，并且預計電機負載不會快速變化，那么無傳感器控制可能是您應用的更好選擇。
六步（梯形）換向
本文描述的無傳感器算法中為電機繞組通電的方法稱為六步梯形或 120° 換向。每個步驟或扇區相當于 60 度電度。六個部門組成了一場電氣革命。圖 1 顯示了換向過程。
圖 1：六步換向。
對于每個扇區，兩個繞組通電，一個繞組不通電。一個繞組在每個扇區中沒有通電這一事實是六步控制的一個重要特征，它允許使用無傳感器控制算法。當 BLDC 電機旋轉時，每個繞組都會產生 BEMF，根據楞次定律，它與提供給繞組的主電壓相反。該 BEMF 的極性與激勵電壓的方向相反。圖 2 顯示了理想的 BEMF 波形和過零點。
電機的 BEMF 波形隨轉子位置和速度的變化而變化。因此，在零速和極低速下使用 BEMF 檢測轉子位置是不可能的。然而，有許多應用（例如，風扇和泵）不需要定位控制或低速閉環操作。同樣，使用 BEMF 有許多不同的方法。這些方法中的大多數可以總結如下：
電機端子電壓檢測
中點電壓感應
總線電流梯度感應
所選擇的技術利用了中點電壓重建，它基于檢測非活動相的 BEMF 為零的情況。無傳感器過零技術適用于不需要接近零速度的閉環操作的廣泛應用。
圖 2：過零檢測。
假設只有三個電機引線可用于檢測 BEMF，則必須確定電機中性點的電壓，因為 BEMF 波形將被中性點電壓抵消。
大多數時候，電機制造商不給電機中性點接線。但是，它可以由軟件生成。三個網絡與電機繞組并聯，以檢測每一相的電壓。中性線電壓等于相位信號的平均值。圖 3 顯示了如何使用六個電阻器測量每個相位的電壓。
將重建的電機中性電壓與每個 BEMF 信號進行比較以確定過零事件。當 BEMF 信號等于電機中性點時，存在過零事件。
圖 3：基于 DSC 的系統。
實現算法
第一個任務是對 BEMF 信號進行采樣。為了實現這一點，DSC 的 ADC 配置為以等于 DSC 的脈沖寬度調制器 （PWM） 重載頻率的采樣率同時對 BEMF 信號進行采樣。因此，ADC 與 PWM 重載事件同步。
ADC 在 PWM 開啟時間進行采樣，目的是避免電子開關產生的振鈴噪聲。信號的采樣點在 PWM 開啟時間內是可變的，具體取決于電機速度。
然后重建電機中性點并與 BEMF 信號進行比較。通過這些軟件比較產生的信號仍然有一些噪聲，這些噪聲將使用多數函數過濾掉。
數字濾波器：多數函數
這種 BEMF 濾波方法是一種稱為多數函數的非線性數字濾波器。多數函數是一個布爾函數，它接受 n 個二進制輸入并返回其中最常見的值。可以表示如下：
多數函數濾波器的第一級是通過兩個邏輯運算來實現的；第一個運算符 （AND） 檢測到活動的 BEMF 信號。第二個運算符 （XOR） 檢測活動 BEMF 信號的下降沿和上升沿。這兩個操作的輸出稱為“有源屏蔽 BEMF”信號。
然后使用多數檢測濾波器過濾有源屏蔽的 BEMF 信號。這個過濾器是用一個由 64 個值復合而成的數組和一個特殊的邏輯測試條件來實現的，用于修改下一個數據值的指針。
有 64 個值表示 6 個樣本窗口對于有源屏蔽 BEMF 信號可能具有的 2 6種可能組合。查找表中的每個值都是指向下一個可能的六樣本窗口的指針。圖 4 顯示了如何根據 BEMF 信號更新六樣本窗口。
過濾器始終在邏輯測試條件的輸出處尋找真到假的變化。如果檢測到這種從真到假的條件，則過濾器會查找三個連續的假狀態以驗證是否發生過零事件。邏輯測試條件輸出的真到假條件表示電機換向；因此，一個新的 BEMF 信號將被監測。
圖 4：六個樣本窗口。
有 16 個唯一索引值表示真到假條件。這些值為 24、25、26、28、40、41、42、44、48、49、50、52、56、57、58 和 60。這些唯一值被替換為 1，以表示真到假條件發生。
使用以下多數函數標準選擇 16 個唯一值。當一個數字的二進制表示在三個最高有效位中包含大多數 1，然后是大多數零時，該數字是唯一值。
剩下的 48 個數字是指向唯一值的指針，以防發生真到假情況。有些值永遠不會指向任何唯一值，因為它們不是 16 個唯一數字中任何一個的倍數。然后將這些數字指向它們的倍數并以這樣的方式陷入循環，即過濾器正在等待指向 16 個唯一數字之一的新值。圖 5 顯示了完整的多數濾波器的框圖。
圖 5：過濾 BEMF 信號。
BLDC 電機的一個有趣特性是它們將在一定程度上同步運行。這意味著對于給定的負載、施加的電壓和換向速率，電機將保持與換向速率的開環鎖定；前提是這三個變量不會顯著偏離理想值。在實際實現中，使用比例積分和微分 （PID） 控制回路來控制這些變量。
強大且具有成本效益的 DSP 引擎使有效控制無傳感器應用中的扭矩和速度需求成為可能。數字信號控制器非常適合對效率、高性能和成本有關鍵要求的應用。
本文面向希望使用新的電機控制技術驅動無傳感器 BLDC 電機的開發人員。該技術無需使用分立的低通濾波硬件或片外比較器，同時提供高效率和卓越的性能。
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