MICROCHIP AN901 Technical data

AN901

dsPIC30F 在无传感器 BLDC 控制中的应用

著者：

合著者：

Charlie Elliott Smart Power Solutions, LLP Steve Bowling Microchip Technology Inc.

引言

本应用笔记描述了一种完全可行且高度灵活的软件应用，使用 dsPIC30F 来控制无传感器无刷直流

（brushless DC，BLDC）电机。此软件将 dsPIC30F 外

设广泛应用于电机控制。所实现的无传感器控制算法特别适用于风扇和泵。程序使用 C 语言编写，经过特别优化，并附有详细的注释以便于理解和程序修改。给定

软件特点

• 采用反电动势过零检测程序，无需使用位置传感元件。

• 应用程序包含可调节参数和两种可选的起动方法以适应特定负载。

• 可检测无传感器算法是否失效。

• 可重新起动无传感器控制而无需停止电机。

• 可控制放电电流以调节 DC 母线电压。

• 换相方案支持随速度增加而线性引入达 30°的相

位超前，进而获得更高的电机效率和更宽的速度范围。

• 四种不同方式来控制电机速度。

• 简单的用户界面，带 LCD 显示，可通过按钮调节超过 40 项参数。

• 软件大约占用 5 MIPS（最大），需要大约 16KB 的

程序存储空间。

• 不包含用户界面和调试代码时，应用代码可以装入不到 12 KB 的程序存储器中，可与已设计的最小存储器 dsPIC30F 器件（dsPIC30F2010）兼容。

已知限制

• 使用时，无传感器系统能可靠工作的最大输出频率大约为 150 Hz。但是，这一限制可以让很常见的

4 极电机的最高运转速度达到 4500 RPM。

• 如果使用相位超前，输出频率最高可达 250 Hz（4

极电机可达 7500 RPM）。通过修改软件，可达到更高速度。

• 支持对角逆变器开关器件的硬调制。

• 系统支持在闭环换相模式下运行，通常风扇和泵都

需要这种支持。

背景知识

无刷直流（BLDC）电机体积小、可控制且效率高，因此在消费和工业应用中得以采用。这种电机还越来越多地被应用于汽车应用中，以避免使用皮带和液压传动系统，并提供更多功能和改善燃料利用率。 BLDC 电机控制所需磁性元件和电子元器件成本的不断降低使得无刷直流电机的应用越来越广泛，同时还被用于更高的功率级别。

由于电励磁必须与转子位置同步，BLDC 电机运行时通常带有一个或多个转子位置传感器。由于成本、可靠性以及机械装配等因素，尤其是当转子浸没在液体中运行时，要求电机不带位置传感器运行（即所谓的无传感器运行）。

本文假设读者已经熟悉了带有位置传感器的 BLDC 的工作原理，因此不再详细阐述该技术。 Microchip 应用笔记 AN857 中对 BLDC 电机控制进行了非常有用的介绍。在参考书目列出的书籍中可以找到其他相关内容。需要注意的是，本文讲述的无传感器方案是 AN857 所述的更高级形式。最后应该指出，本文中所有论述以及应用软件均假定使用三相电机。

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BLDC 电机换相的无传感器技术

本文讨论的方法仅适用于标准结构的三相电机（不含搜索线圈或不对称设计）。另外，本文还假定采用常规 120°通电方式，这样在一些时间段会出现某相上电流为零、不通电的现象。为使电机运行，必须按照周期性间隔切换通电的相（即换相）。

要使电机正确换相，必须测量电周期中的绝对位置。对于常规通电，每个电周期需要六次等距换相。这通常是通过三个霍尔效应开关或光学开关（转子上要有相应的圆盘）实现的。并不需要连续的位置信息，只要检测所需换相情况即可。图 1 给出了三个传感器的输出和每相的相应反电动势（Back EMF， BEMF）电压波形。

图 1： BLDC 换相图

HALL R

HALL Y

HALL B

导通

霍尔状态

RYB

要通过监测电机的某项特性来检测转子位置，显然该特性必须随位置发生变化。此外，理想的情况是该特性能在电周期中建立唯一的位置，这将增强无传感器技术的鲁棒性。相磁通链随位置发生的变化会产生转矩。这种效应可以从磁阻和 BEMF 两方面进行考虑，这两者不但随电流变化，而且随位置变化。 BEMF 还随速度线性变化。可以直接监测磁阻或 BEMF 的变化，也可以监测它们对间接量的影响。

Q1,Q5Q1,Q6Q2,Q6Q2,Q4Q3,Q4 Q3,Q5

546231546

Q1,Q5Q1,Q6Q3,Q5

磁阻变化方法

如公式 1 的磁欧姆定律所示，磁阻是电阻的磁当量：

公式 1：磁欧姆定律

MMF

------------- -=

ℜ

在此公式中：

ℜ

= 磁阻

MMF

= 磁动势

= 磁通量

磁阻表示磁通流经由钢、气隙和磁体组成的磁路的难易程度。磁体是非常好的磁通源，相当于电流源。相绕组是良好的 MMF 源，相当于电压源。在低磁负载时，钢的磁阻很小，并处于磁不饱和状态。在高磁负载（一般为 >1.5 T）下，钢的磁阻会随磁饱和的开始迅速增加。空气具有非常高的磁阻，它与磁负载无关。磁性材料也有相似的特性。

磁阻随位置而变化，因此可以作为无传感器运行的基础。在所有 BLDC 电机中，磁阻随角度也会发生某些变化。从电机来看，磁阻的变化与电感的变化一样明显。磁阻变化有明显的优点，因为在零速度下可以检测到。但是，需要先了解要控制电机的 L(i,θ) 特性。

不幸的是，对于很多 BLDC 电机，磁阻随位置的变化太小，无法可靠地进行测量。尤其是对于表面安装了磁体的电机，其有效气隙很大，所以此特性在这类电机上表现得尤为明显。因此，磁阻的主要部分是不变的，这使随位置发生的剩余变化很难测量。在专门设计为低转矩脉动的电机中，磁阻变化也会较小，因为变化的磁阻会产生多余的转矩。隐磁或内磁电机的磁阻随角度变化很大，但是它们一般用正弦电压通电，因此这里不再讨论。

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BEMF 法

电机的 BEMF 波形随位置和速度变化。因此不可能在零速度和低速时用 BEMF 检测位置。但是，有很多应用

（例如风扇和泵）在低速时不需要位置控制或闭环运

行。对于这些应用， BEMF 法就很适合。有很多使用

BEMF 的方法，主要方法可以归纳如下：

• 电机端电压检测

- 通过直接测量或推算（开关状态和 DC 母线

电压已知）。

• 中点电压检测

- 只适用于具有特殊 BEMF 特性的 Y 型连接电

机。

- 实际上不需要第 4 根线。使用电阻网络和差分操作，可以重新建立星型连接中心点。

• 母线电流梯度检测

- 因为换相随转子超前或滞后而发生变化，因此

取决于特定母线电流的形状。

- 无法使用快速母线电流控制。

磁通链变化法

检测磁通链随位置的变化可以有效地综合利用磁阻法和 BEMF 法。公式 2 给出了相电压：

公式 2： BEMF 相电压

选择所谓的 BEMF “过零检测”技术是因为：

• 它适用于多种电机。

• 理论上，Y 型连接和 ∆ 型连接的三相电机都可以使

用它。某些类别的 ∆ 型连接电机可能无法应用这种技术。

• 不需要详细了解电机特性。

• 对电机制造容许公差要求不太严格。

• 它对电压控制或电流控制都有效。

过零检测技术适用于速度接近零时不需要闭环操作的多种应用，它尤其适合在风扇和泵中的应用。

假设速度大于零，则每个电周期中某相的 BEMF 为零的位置只有两个，可以通过图 2 中所示通过过零点时 BEMF 的斜率来区分这些位置。

每一段对应电周期中的一个 60°部分（共有六个相等的 60°部分）。（段的编号完全任意，但要与整个软件中使用的编号匹配。）换相发生在每一段的边界处。因此，需要检测段的边界。BEMF 过零点和需要换相的位置之间有 30°的偏移，必须对其进行补偿，以确保电机平稳高效运转。

图 2：过零检测

30Þ

PH iR dΨ()dt()⁄+=

此方法对方波或正弦波通电提供了从零速度起动的无缝运行能力。需要使用闭环观测器，以通过所加电压和所测相电流的开环积分来正确确定位置，这需要预先详细了解电机的 ψ(i,θ) 特性和有效处理能力。

所选无传感器技术的实现

具体的实现方法基于检测不通电相的BEMF 为零时的情况。除了可选的母线电流检测信号放大以及功率开关门驱动电路外，采用 dsPIC30F 单芯片实现提供所有的控制功能。

SECTOR

图 2 还给出了理想情况下的各相 BEMF 波形。假定只有三个电机引线可以用于检测 BEMF，则必须确定电机星型连接中心点的电压，因为 BEMF 波形将被该星型连接中心点的电压抵消。

501234501

= BEMF 过零点

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对于 ∆ 型连接的电机，操作方法有所不同，将在附录 D 中进行探讨。

前面讲过，在任一时刻只有两相是通电的，且流经这两相的电流方向相反，图 3 说明 Y 相用于 BEMF 检测时的情况。

图 3： BEMF 检测硬件示例

Q1 Q3

当 R 相内流经正向电流（定义为流向星型连接中心点的电流）、B 相内流经负向电流时，Q1 和 Q6 将受到控制，这与前面图（图 2）中的段 1 对应。假设通电相的两端总是对称地分别连接到 DC 电源的两个轨上，则星型连接中心点的电压总是 ½ V 上的电压极性无关。但是，只有在每相的 R、L 和 BEMF 都相同，且每相的开关和二极管压降都相等的情况下，星型连接中心点的电压值才为 ½ V 就是这样，因此 BEMF 过零点将被偏置为 ½ VDC，这很容易估计到。

以最简单的形式，BEMF 过零检测方法可以这样实现：

• 通过分压器和 A/D 转换器来监测所有三相的端电压

DC。

和 V

• 在相应的时间段内检测相 BEMF 何时经过 ½V

对于某个特定的时间段，只需监测一相的电压。

• 使用一个可用的定时器测量 60° （即两次过零点之间）的时间。将这个值除以 2，然后加载到另一个定时器中，这样就可以取消正确换相所需的隐含

30°补偿。

DC，与加在这两个通电相绕组

DC。假设现在的情况

DC。

实际上，尽管所测的 BEMF 波形受下面几个次级效应的影响，实际上也不会复杂多少：

• 通电结束时，相绕组去磁会导致其一端被感应并钳位到其中一个 DC 母线电压，因为存储在绕组中的能量会通过反向二极管回流到电源。必须注意，反向二极管的作用不要造成错误的过零点。

• 由于 PWM 作用使得导通相之间产生互耦，导致

“噪声”被叠加到 BEMF 上。噪声往往会在过零

位置处降到最小。

• 星型连接中心点处的电压偏离 ½ VDC。

- 如果 PWM 周期的某段时间内相电流为零，则

通电相的输出端就会变为悬空状态。通常将一个周期中某段时间内相电流为零的这种影响称为不连续电流。

- 对于大多数系统来说，高端和低端器件之间开

关 / 二极管压降的不同，并不会导致明显的问题。对于某些特殊的系统，会导致正向与负向电流区的通电宽度有较小的不平衡。

- 非梯形的 BEMF 意味着星型连接中心点电压

有所偏离，这是因为两个通电相的 BEMF 不相等，幅度一大一小。大部分 BLDC 电机的 BEMF 波形都介于梯形和正弦之间。实际上，这一特性不会引起问题，因为它只会改变所监测 BEMF 在过零点位置的斜率。

在软件中舍弃换相后的最开始几个 BEMF 采样点，很容易避开相绕组的去磁问题。不对 BEMF 波形用硬件进行明显滤波，并且根据PWM波形仔细地选取信号采样点，可排除互耦 PWM “噪声”和不连续电流问题。在开关关闭之前，使用电机控制 PWM 模块的特殊事件触发器来启动 A/D 信号转换。

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应用软件

开发环境采用 MPLAB® 6.40，并用 Microchip C30

optimizing compiler (v1.10.02) 进行编译。采用 MPLAB ICD 2 进行调试和编程。开发所使用的电机为 Hurst Manufacturing NT Dynamo™ 标准产品系列。

大部分代码用 C 编写，为提高效率和增强功能，必要时使用了嵌入汇编器。表 1 描述了这 16 个源代码文件的内容和功能。

硬件资源

如前所述，在启用了编译器 1 级优化时，代码将占用 15,594 字节的程序存储空间。这包括用户界面代码以及存储在程序空间中的一些常量。你可能会想在最终的应用程序中删除用户界面代码。删除用户界面代码后，最小的 dsPIC 空间。

表 1：源代码文件

defs.h

extern_globals.h

flash_routines.c

globals.h

hardware.h

inline_fns.h

ISRs.c

lcd_drivers.c

lcd_messages.h

main.c

medium_event.c

器件也很容易满足应用程序所占用的存储

文件名文件用途所包含函数

# 定义整个软件中使用的宏值全局变量的外部声明用于擦写闪存程序存储器的低级程序

全局变量声明 # 定义特定于 dsPIC30F 电机控制开发 PCB 的宏头文件，包含可以提高效率的嵌入编译函数，这些函数由

ADC ISR 调用

所有中断服务程序以及所有陷阱服务程序

访问 2x16 LCD 显示器的低级程序太多因此无法一一列出各

用于 LCD 显示器上显示消息的字符串常量初始化以及后台代码中等事件速率处理程序本身和由它调用的所有代码（除了

user_interface 中包含的代码）。中等事件处理程序每 10ms 执行一次。

应用程序需要 276 字节的数据存储器。其余的器件存储空间可用于软件堆栈的动态存储。

如前所述，应用程序会分配两行（64 个程序存储单元）的器件程序存储空间作为软件参数的非易失性存储空间。应用程序中总共有 45 个参数。

该软件是为 7.38 MIPS 速度的 CPU 编写的。在 dsPIC 器件上使用 4X PLL，并使用 7.38 MHz 晶振或外部时钟源，可达到这一运行速度。该软件要求 5 MIPS 的最大执行速度，所以大量的 CPU 带宽可用于其它应用任务。可以通过修改 defs.h 文件中的常量值来修改软件，从而实现在更高的 CPU 速度下运行。

尽管源代码有详尽的注释，但特定于电机控制的主要程序还将在附录 C 的流程图中进行说明。表 2 说明使用了哪些 dsPIC30F 外设及其用途。

erase_flash_row program_flash

check_zero_crossing current_control acquire_position

AddressError StackError MathError PWMInterrupt FLTAInterrupt ADCInterrupt T1Interrupt T2Interrupt T3Interrupt

个程序

main

medium_event_handler speed_loop voltage_control starting_code

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表 1：源代码文件（续）

文件名文件用途所包含函数

parameters.h

setup.c

slow_event.c

user_interface.c

xlcd.h

表 2： dsPIC30F 外设的用途

dsPIC30F 外设功能和配置

电机控制 PWM 模块用对角开关的 16 kHz PWM 调制来驱动三相逆变器。输出配置为独立模式，

高速 10 位 A/D 转换器用来在每个 PWM 周期中同时对母线电流、母线电压、速度给定和相电压

正交编码器接口（Quadrature Encoder

Interface， QEI） TIMER2

TIMER3

所有用户参数缺省值和关于最大值、最小值、递增率以及编辑字符串的细节

在初始化过程中调用的所有外设的设置代码

只有缓慢事件处理程序。虽然用户界面函数从该处理程序调用，但其代码是独立的。缓慢事件处理程序每 100ms 执行一次。

通过 LCD 显示和按钮开关实现用户界面的各种程序。

# 定义供 lcd_drivers 使用的宏

而且特殊事件触发器用于在开关关闭之前启动 A/D 转换。

（三相中的一相） 4 个信号进行采样。采样与 PWM 模块同步。

禁止输入，但定时器用于 16 位自由模式，以提供过零检测的时间标记。

用于 16 位模式，以提供过零点事件和期望换相时间之间的延迟。用来提供放电斩波器开关的 PWM。

setup_ports setup_motor_pwms setup_adc setup_qei setup_timers WriteConfig

slow_event_handler

screen_handler process_switches save_parameter process_parameters debounce_switches edit_screen uint_to_string nibble_to_hex run_screen

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硬件

开发出的应用程序要在 dsPICDEM MC1 电机控制开发板以及 dsPICDEM MC1L 三相低电压功率模块或 dsPICDEM MC1H 三相高电压功率模块上运行。控制板或功率模块系统的照片参见图 4。

图 4：控制板/ 功率模块系统

这些开发工具可以从 Microchip 获得（详情请登录 Microchip 网站查询）。或者，你也可以自己设计硬件，但需要对软件做一些更改。

在使用 dsPICDEM 开发工具时，需要对 PCB 上的跳线做一些改动。这些修改可参见“对功率模块的改动”和

“对电机控制开发板的改动”。

下面的框图（图 5）给出了电机控制的简化硬件结构。为清晰起见，这里省略了 LCD 接口和按钮。

图 5：硬件框图

dsPIC30F6010

PWM3H PWM3L PWM2H PWM2L PWM1H PWM1L

FLTA

AN0 VDC

AN1

AN2

AN12 AN13 AN14

Fault

给定

相电压反馈

三相

逆变器

IBUS

BLDC

准备

对功率模块的改动

为从功率模块获得所需的反馈信号，必须对其做一些改动。改动要使相电压（x3）、 V 反馈至控制板上的 dsPIC30F，这样会使强、弱电之间的隔离失去作用，这一点需要注意。按照以下步骤进行修改：

1. 按照功率模块的用户手册所述去除盖子。

2. 把低阻值电阻（47R 或更低）焊接到 LK22、 LK24-26 及 LK30 上。

3. 如果采用的是高压模块，为了在非隔离的模式下

修改以及使用系统，请严格遵循其它步骤。这包括在 J5 和 J13 之间焊接一条地线，这条地线上流过的电流值要适当。

注：为了针对此应用进行修改，必定会使

高压功率模块的电气隔离失去作用。务必要保证系统接地，并在主电源和功率模块输入之间采用一个安全隔离变压器。

4. 根据电机的目标用途，设置跳线 LK11-12 的电流反馈比例。跳线 LK11-12 按比例缩小母线电流反馈信号。如果有问题，可以去除 LK11-12，这样可以提供最佳的保护和最高的增益反馈。

5. 如果功率模块工作在低于最大母线电压额定值 50% 的情况下，建议减小电压反馈比例，以获得

更高的反馈电压。可通过改变 R10、R13 和 R14 的值来改变 V

DC 反馈电压，通过改变 R16- R21

的值来改变 VPH 反馈电压，这些改动是在印刷电路板上方进行的，不需要拆卸功率模块。详情可查阅功率模块的用户手册和原理图。

注：为获得正确的无传感器操作，相电压

和 DC 母线电压的反馈比例必须匹配。

连接电机

应该按照正常的方式连接电机的 3 根引线和地线，引线和地线的规格要根据电流额定值适当选择。无传感器系统的一个优点在于电机引线的相序并不重要，因为它仅定义哪个方向是正向的。如果有合适的位置反馈器件，可将其用于诊断。

DC 和母线电流反馈信号

功率模块包括三相逆变器、母线电流检测电路和电压反馈分压器。

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对电机控制开发板的改动

为了使应用软件正常工作，必须重新分配控制板上的 ADC 通道，这是因为同时对母线电流（I 压（VDC）、速度给定（POT）和一相电压（VPH）四个信号进行采样。dsPIC30F 的 10 位 A/D 转换器采用专门的输入引脚进行同时采样。 AN0， 1， 2 分别用于

DC、IBUS 和 POT 的采样，CH0 MUX 用于在原来为三

相电压所分配 AN12，13，14 的 VPH 信号之间切换。需要在 PCB 上完成下列连接以重新分配模拟通道：

• 连接J6的 AN11引脚和 LK1 的引脚2（LK1 的其他引脚保持悬空）。

• 连接 J6 的AN8 引脚和 LK2 的引脚 2（LK2 的其他引脚保持悬空）。

• 连接 J6 的 AN2 引脚和 AN7 引脚。

注： LK1 和 LK2 用于重新分配 AN0 和 AN1，以

确保这些信号和 MPLAB ICD 2 之间没有冲突，MPLAB ICD 2 将这些信号线用作缺省的时钟和数据。

BUS）、母线电

使用 S2 和 MPLAB ICD 2

AN0 和 AN1 用来提供反馈信号，而且 MPLAB ICD 还用它们来进行编程和调试。因此，必须在适当的时候使用 S2 切换到 MPLAB ICD 时钟线和数据线。无论是否调试都需要这样做。如果使用的是 dsPICDEM MC1 电机控制开发板，并准备使用 MPLAB ICD 2 来调试，请完成下列的第 1 至第 3 步。如果准备采用 MPLAB ICD 来进行器件编程，仅仅需要完成第 2 步到第 3 步。

1. 在 MPLAB IDE 中，在 Configure> Configuration

Bits>Comm Channel Select 窗口中选择 “Use EMUC1 and EMUD1”选项。

2. 将 S2 调到对应于 MPLAB ICD 这边的位置，对

器件编程。

3. 编程完成后，把 S2 改到模拟位置并运行软件。

设置并调整用户参数

用户界面简单直观。LCD 显示屏和按钮开关允许调整许多参数。在可能的情况下会出现帮助字符串。四个按钮的功能如下：

大部分参数在其函数中都有说明。源文件 parameters.h 包括参数的补充解释和缺省值，同时还包含各个参数的特性。如果某个语句在引号（""）内，则该语句对应于 LCD 上显示的文本字符串。附录 A 列出了各个参数，并包含一些参数取值的含义。系统上电后为参数 0，并且开始循环访问（从参数 0 移动至最后一个参数）。下面有对起动参数的详细解释。

• 在待机或故障状态下激活编辑菜单。

• 在编辑菜单中回滚参数列表。

• 修改参数值时减少值。

• 运行时在两个不同的屏幕间切换。

• 在编辑菜单中向下滚动参数列表。

• 修改参数值时增加值。

• 选择要修改的参数。

• 存储新的参数值。

• 在编辑菜单没有激活的情况下起动/停止 / 复位系统。

• 从编辑菜单和修改参数状态退出。

硬件参数

在系统起动之前，必须确保与硬件相关的设置参数正确无误。这些参数的设置主要取决于所选择的电机。设置参数包括：

• Number Motor Pole

• Blanking Count

• Voltage Scale

• Current Scale

这些参数的解释可以在附录 A 中找到。

起动参数

由于低速时缺少 BEMF 信息，电机必须开环起动。如果起动参数调整得与电机匹配，给定值不过高或过低，系统应该无传感器运行。如果给定值过高，将会发生过电流。如果给定值过低，系统将不能起动。良好的起点是起动速度为速度给定的 1/2。实现了两种不同的起动方法，同时还要对几个参数进行调整，以根据特定的应用调整起动。控制电机起动的参数如下：

• Direction Demand

• Lock Position 1 Time， Lock Position 2 Time

• Ramp Start Speed， Ramp End Speed

• Ramp Start Demand， Ramp End Demand

• Ramp Duration

• Starting Control

• Acquire Method

• ZeroX Enable Speed

• Windmilling Demand

• Braking Ramp Time

首先要确定电机起动和运行的方向。可以通过修改 Direction Demand 参数来改变方向。在项目的最初开发阶段，电机运转方向可能并不是很重要。但是，某些类型的电机及一些负载需要特定的旋转方向。也可以通过交换电机的两根电源线来改变电机运转方向。

起动程序使电机以较低的开环速度运转，随后加速到一个最终值，以产生足够的 BEMF 电压，从而使无传感器算法开始工作。BLDC 电机在开环模式下的运转类似于步进电机，但是这是一个非常低效的运转模式，并且在这种模式下运行时，电机不能产生额定转矩。

设定锁定参数

在电机运转之前，该算法在对两对绕组进行短时间通电后，把转子定位在两个参考或锁定位置。这两个锁定位置可以确保转子在开环起动算法开始运行之前已处于已知的参考点上。开环起动开始前转子的位置稳定是非常重要的，并且必须对这四个 Lock Position 参数进行相应调整。如果 Lock Position Demand 参数设置过高，转子会在到达锁定位置时发生振荡。如果这个参数设置过低，转子将不会移动到参考位置。试着增大或减小 Lock Position Demand 参数，直到转子以最小的振荡迅速移动到两个锁定位置。在设置好给定参数之后，可以增大或减小 Lock Position Time 参数来调整每个锁定位置的保持时间。有些负载的惯性很大（例如大直径的风扇叶片），转子振荡可能需要较长的保持时间才会消失。惯性较小的负载的锁定时间可以设为一个很低的值，这样可以使电机快速起动。配置软件时，试着使用 S7 按钮起动电机，并在锁定时间内观察转子的运转。如果尚未配置其余的参数，可以在锁定时间后按下 S7 按钮，退出电机起动程序。

设定加速参数

在第二个锁定结束时，系统将自动开始以开环步进方式对系统通电。你必须选择加速起动速度（Ramp Start Speed 参数）以及通电给定，使得转子锁定在通电顺序上。

然后当系统在给定的 “Ramp Duration”时间内加速到

“Ramp End Speed”时，根据两个 Ramp Demand 的

值随速度线性改变给定值。开环步进速度介于起动速度和最终速度之间，满足公式 3 给出的时间平方律函数：

公式 3：时间平方律函数

ωω

其中， ω

End Speed参数减去 Ramp Start Speed 参数得到的值，

t 表示由 Ramp Duration 参数决定的时间。

表示 Ramp Start Speed 参数，k 表示 Ramp

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通过选择加速方式来优化起动性能。加速结束时的速度必须足够高，为系统提供足够高的 BEMF 电压，使系统能可靠地检测过零点。

加速参数指南

首先要为加速选择起始和终止速度。这两个速度取决于特定电机的额定速度和 BEMF 电压常量。要确保将电机可靠地加速到某一速度，在此速度下无传感器程序能检测到 BEMF 电压。可使用的经验法则是，将 Ramp Start

Speed 参数设置为电机额定速度值的 1/60。Ramp End Speed 参数可以设置为电机额定速度值的 1/6。例如，当电机的额定速度为 3000RPM 时，可将 Ramp Start Speed 设置为 50RPM，而将 Ramp End Speed 设置为 500RPM。

然后，需要设置 Ramp Start Demand 和 Ramp End Demand 参数。如果使用电压控制模式（软件缺省设

置），起始值在 50% 左右通常是合适的。设置这些给定量的关键是，要在没有“滑转”或过多机械振动的情况下将电机加速到最终速度。设置这些给定量最好的方法是，在起动时观测转子，在给电机通电时监听其发出的声音。在执行起动程序时，大多数电机会发出滴滴答答的噪音，噪音的频率与加速的速度成比例。如果听到加速的速度在增加，但是转子转速减慢或者只在某个固定位置振动，就可能要增加加速给定量。如果转子看起来加速适当，但在加速期间似乎出现过多的电机振动、过电流或噪音过大，则加速给定量可能被设置得过高。在大多数情况下，需要将 Ramp End Demand 参数设置得比 Ramp Start Demand 参数高出 5% 到 15%。如果这两个参数相等，可以观察到电机开始加速时正常，但是当加速的速度增加时电机开始滑转。

可调整 Ramp Duration 参数以优化起动时间。一般情况下，应使用相对较长的加速时间起动，以确保电机正常起动。 2 到 4 秒间的加速时间可适用于大多数电机和负载组合。你会发现，惯性较大的负载需要较长的加速时间达到适当的加速。当缩短加速时间时，也要增加 Ramp Start Demand 和 Ramp End Demand 参数，以避免转子在起动时滑转。

设置起动控制

通过 Starting Control 参数（#40）选择电流控制或电压控制。

电流控制有利于消除由 DC 母线电压变化或电机阻抗引起的起动电流变化。然而相对于电压控制，电流控制的保持时间通常要延长，因为转子振动比电压控制时明显。电流控制的 PID 环也需要调整。

如果使用电流控制，应当输入适当的过电流翻转电平，因为它按比例修正给定量。要确保输入正确的电流反馈比例（如何选取恰当的值请参见 parameters.h）。

采用电压控制（缺省设置）方法，不能检测母线电流，且不能使用针对某些应用的相关软件。只有在很清楚 DC 母线电压的变化并且负载转矩可重复时，才能使用电压控制方法。否则起动可能失败。

两种不同的采集方法

两种不同的采集方法，在本文和所有源代码中称为“方法 1”和 “方法 2”，在无传感器运行之前，使用这两种方法采集初始位置。通过 Acquire Method 参数（#43）来选择使用哪种方法。要根据具体的应用来选择适合的方法。

方法 1

采用此方法时，一旦电机速度超过了 ZeroX Enable Speed 参数（#44），系统就开始查询过零点。如果在电周期的两个连续段中检测到了过零点，就会起动无传感器换相。应将 ZeroX Enable Speed 参数设置为某一速度，此速度要高于可观测到平滑运转和产生足够反电动势时的速度。调整起动参数时，用示波器监测一相或多相电压，可以很好地确定此参数。通过 J6 连接器的 AN12、AN13 和 AN14 信号，可很好地观测到相电压。为了使此方法能正常工作，ZeroX Enable Speed 参数必须低于 Ramp End Speed 参数。

当以开环步进方式通电，电机以恒定速度运转时，假定可忽略负载扭矩，转子位置比无传感器控制下运转时的位置大约超前 90°（电角度）。所以，BEMF 过零点发生在某相通电时，而不是不通电区，因此无法检测到过零点。为了能检测到过零点，必须以某一速率使电机加速。加速期间，电机和负载的惯性会引起位置上的滞后，这样就消除了某些或所有自然的相位超前。加速速率越高，滞后越严重。这样，通过选择正确的起动参数和相对可预测的机械负载，在某相不通电期间会出现

BEMF 过零点并能被检测到，使系统起动。

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AN901

由于方法 1 能提供快速且无缝的起动，因此对于许多应用都可以选择这种采集方法。然而，为了使此方法能正确工作，必须慎重选择控制加速的起动参数。如果机械负载变化或不可重复，则可能导致采集失败。

方法 2

当加速时，方法 2 并不查询过零点。而是当加速结束时，电机暂时断电。此时，三相电压均可检测到。当相电压升高到零伏以上时，相电压当前值和前后值可用来确定旋转方向和位置。当需要两个不同的相电压上升沿时，系统采集最多需要一个旋转电周期。采集完后，系统重新通电，并以无传感器换相运行。所以此方法的优点是，不需要对电机和负载有很深入的了解。只需要有足够的反电动势和惯性，以确保在采集时电机不停转。而且，在加速结束前，不应有过多的速度振荡。这种采集方法用来提供快速起动检测（系统一起动就发生明显的旋转）和风力旋转检测（参见表 3）。

表 3：采集方法的比较

方法 1 方法 2

优点

• 快速起动

• 电机无停转风险

• 需要认真调整参数

• 需要可预测的负载

• 参数调整简便

• 可用于机械负载无法预

测情况

缺点

• 需要相当大的惯性或低负载且在适当的速度下运行，以避免停转

风力旋转

在风扇应用中，由于周围气流的作用，当电机断电时，风扇的叶片常会旋转，这种现象被称作风力旋转。为了提供稳定的起动，开始时要对速度和方向进行检测。如果电机已经旋转，并且旋转方向和给定方向一致，则可使用方法 2 实现快速起动。

如果电机正在旋转，并且旋转方向和给定方向相反，则必须使电机减速直到停止。可使用正常的起动方法，以希望的方向起动电机。这可通过对电机通电，从旋转检测和降速期间检测到的速度开环起动来实现。达到 0 Hz 所需的时间由 Braking Ramp T 参数控制，以 10 ms 为增量进行设置。 Windmilling Dem 参数设置风力旋转减速期间使用的给定百分比。应该调整这两个参数，以确保系统在制动时锁定。

起动参数检查修正

如果所选的参数设置不能使系统正确起动，则按照下面建议的顺序进行调整：

锁定参数

首先，要确保初始定位正确。延长两次锁定的时间来观测锁定时的运动。在电机确实可以正确响应后，将锁定时间减至可接受的值。有时电机会在第一次锁定要求的位置停止，这意味着在第一次锁定时没有观测到任何运动。然而，相电压的检测将确保仍然正确通电。

通常，系统起动负载较小时，例如大多数风机，需要低的速度给定起动转子。因为这种负载也可能阻尼较小，因此速度给定太高可能引起不希望的振荡。而对于起动负载较大的系统（例如某些水泵），则需要较高的速度给定来起动转子。幸运的是，这些负载通常阻尼较大。某些具有高传动转矩或惯性的复杂负载可能需要较高的速度给定起动和较长的锁定步骤时间，很适合于采用这种无传感器控制。。

Ramp Start Demand

第二次锁定后，系统立即开始以预定的初始速率使电机步进运转。转子必须与通电顺序同步。如果速度给定太低或者速度太快，转子就可能在这一位置通电失败。相反地，如果速度太慢而速度给定太高，转子可能会在某一位置附近振荡，从而导致同步失败。

和 Speed 参数

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MICROCHIP AN901 Technical data

Specifications and Main Features

Frequently Asked Questions

User Manual

软件特点

已知限制

背景知识

BLDC 电机换相的无传感器技术

磁阻变化方法

BEMF 法

磁通链变化法

所选无传感器技术的实现

应用软件

硬件资源

对功率模块的改动

连接电机

对电机控制开发板的改动

使用 S2 和 MPLAB ICD 2

设置并调整用户参数

推荐的设置方法

硬件参数

起动参数

设定锁定参数

设定加速参数

加速参数指南

设置起动控制

两种不同的采集方法

风力旋转

起动参数检查修正

锁定参数