電機在我們?nèi)粘Ｉ钪械膸缀趺總€部分都發(fā)揮著作用。它們驅(qū)動洗碗機和洗衣機，使室內(nèi)變得涼爽，并且對于現(xiàn)代交通工具更是必不可少。無刷直流(BLDC)電機已成為許多勻速或變速的高可靠性中高檔系統(tǒng)的選擇。借助幾個霍爾效應(yīng)傳感器和一個控制器，BLDC電機變得相對容易控制。如今，BLDC電機系統(tǒng)已十分常見，但是，大多數(shù)系統(tǒng)仍使用傳感器來控制電機。為了降低BLDC系統(tǒng)的成本并提高可靠性，許多設(shè)計人員希望除去傳感器。無傳感器系統(tǒng)已出現(xiàn)相當長一段時間，但在過去，它們需要昂貴的控制器才能運行除去傳感器所需的算法。數(shù)字信號控制器(DSC)(例如Microchip的dsPIC33FJ16MC102，批量訂購時，單價僅約1美元)使無傳感器BLDC電機控制得以大規(guī)模應(yīng)用。
無傳感器BLDC控制依靠BLDC電機的特性來計算轉(zhuǎn)子位置，并在此位置使電機在適當?shù)臅r間換向。為了解其工作原理，我們回頭看一下BLDC電機本身以及基本的傳感器控制。從根本上講，BLDC電機使用勵磁線圈(稱為定子)在轉(zhuǎn)子(或軸)上產(chǎn)生平行于線圈軸線的磁場，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。在三相BLDC電機中，定子中的三個線圈(或相)連續(xù)導(dǎo)通和關(guān)斷使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。為使轉(zhuǎn)子保持旋轉(zhuǎn)，必須在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)位置前導(dǎo)通和關(guān)斷相關(guān)相。為了使轉(zhuǎn)子平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，構(gòu)成電機的每個繞組或相都可由多組線圈組成。每相都必須按特定順序?qū)ê完P(guān)斷才能使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子的位置決定了哪相需要導(dǎo)通或關(guān)斷。因此，了解轉(zhuǎn)子位置對于電機的運行至關(guān)重要，為了使BLDC電機工作，控制器必須主動導(dǎo)通或關(guān)斷這些相?？刂破鞅仨殞⒍ㄗ觾?nèi)的磁場保持在轉(zhuǎn)子之前，以保持轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。獲取轉(zhuǎn)子位置的最簡單方法是使用霍爾效應(yīng)傳感器，它們可生成脈沖將轉(zhuǎn)子位置通知給控制器。了解轉(zhuǎn)子位置后，基本BLDC控制器只需查找三個相的哪種模式對應(yīng)于轉(zhuǎn)子位置，并將這些相切換到相應(yīng)模式。
依靠傳感器的運行實現(xiàn)起來非常容易，但除去傳感器可降低系統(tǒng)成本并提高可靠性。為了理解無傳感器算法如何計算轉(zhuǎn)子位置，我們進一步了解一下BLDC電機的三個相。
在“梯形”控制中，在任何時刻都是一相被拉為高電平(+VBUS)，一相被拉為低電平(-VBUS)，第三相不活動。由于每相的波形都像梯形(見圖1)，“梯形”控制因此而得名。當轉(zhuǎn)子經(jīng)過某相時，轉(zhuǎn)子上的永磁在該相感應(yīng)出電流，進而產(chǎn)生稱為反電動勢(EMF)的電壓。反電動勢取決于每相繞組的匝數(shù)、轉(zhuǎn)子的角速度以及轉(zhuǎn)子永磁場的強度。每相的反電動勢波形與轉(zhuǎn)子位置相關(guān)，因此反電動勢可用于確定轉(zhuǎn)子位置。
圖1：BLDC電機繞組和梯形波形
有許多不同方法使用反電動勢確定轉(zhuǎn)子位置，其中最常見和最可靠的一種是過零檢測。當其中一個反電動勢信號轉(zhuǎn)換并過零點時，控制器需要切換相的模式。此過程稱為換向(見圖2)。為使轉(zhuǎn)子保持向前轉(zhuǎn)動，在發(fā)生過零和換向之間的時間內(nèi)必須進行相移，電機控制器必須計算和補償該相移。一種實現(xiàn)過零的簡單方法是，假設(shè)每當任一相的反電動勢達到VBUS/2時就會發(fā)生過零事件。
