無刷電機的驅動

前言：
    有關本文所談論的無刷電機內容，只涉及低速飛行類航模電調的小功率無感測器應用，講解的理論比較淺顯易懂，旨在讓初學者(象筆者本人)能夠對無刷電機有一個比較快的認識，掌握基本原理和控制方法，可以在短時間內達到應用目的。理論性的內容涉及模擬電路知識、基礎電子線路，理論性強的關鍵內容會在文中用圖表的形式加以說明。
    因本人水平有限，文中可能會有錯誤的地方，歡迎批評指正，謝謝! 
開門見山：
    在講解無刷電機的無霍爾感測器(以下簡稱無感)應用原理前，本文假設讀者己對有感無刷電機的工作原理有所了解。

1．三相驅動橋
    下圖為無刷電機的三相全橋驅動電路，使用六個N溝道的MOSFET管(Q1～Q6)做功率輸出元件，工作時輸出電流可達數十安。為便於描述，該電路有以下默認約定：Q1/Q2/Q3稱做驅動橋的“上臂”，Q4/Q5/Q6稱做“下臂”。
 
    圖中R1/R2/R3為Q1/Q2/Q3的上拉電阻，連接到二極體和電容組成的倍壓整流電路(原理請自行分析)，為上臂驅動管提供兩倍於電源電壓(2×11V)的上拉電平，使上臂MOSFET在工作時有足夠高的VGS壓差，降低MOSFET大電流輸出時的導通內阻，詳細數據可參考MOS管DataSheet。
    上臂MOS管的G極分別由Q7/Q8/Q9驅動，在工作時只起到導通換相的作用。下臂MOS由MCU的PWM輸出口直接驅動，注意所選用的MCU管腳要有推挽輸出特性。
    驅動橋全部選用N溝道MOSFET的好處：

1. 大電流N溝道MOS可供選擇的型號眾多，貨源充足便於購買，使用的MOSFET類型減少，間接降低採購元件的難度。 
2. 在圖1中，上臂MOS管經過Q7/Q8/Q9驅動，邏輯電平和下臂MOS剛好相反，這樣的好處是，MCU上電時I/O默認為1，上臂MOS不會導通。只有下臂MOS導通，因此不會有電流經過驅動橋，消除了潛在電路隱患。

    C8是整個電調的電源濾波電容，使用中一定要接上，否則無刷電機的反電動勢疊加在電源上不能被濾除，由倍壓電路整流后的電壓高達30V左右，己接近MOSFET的VGS上限，可能會損壞MOSFET。

2．反電動勢波形
 
    上圖所示為無刷電機運轉中的理想反電動勢波形，紅線標出來的是反電動勢的過零點。兩個虛線間是60度電氣角度，不要理解成電機的機械角度。常用航模電機屬於無刷三相六拍電機，每個電周期有六個狀態。星形接法中(Y形)在每一時刻電機的通電線圈只有兩相，另一相線圈懸空，懸空的線圈會產生反電動勢，反電動勢來源於電機磁體旋轉而造成本線圈切割磁力線和另兩相線圈通電時的互感。由於電機轉動的瞬時角速度呈梯形波動，產生的反電動勢也相應的呈梯形變化。但這些不是重要的，我們需要的只是準確的檢測出過零點，為換相做準備。看上圖中的第一個電周期過零點數目，三個線圈在時間軸上共出現6次過零點，和電周期的節拍數目相同。我們所要做的是，只要檢測到過零點，就需要給電機換相了。

3．過零檢測電路
 
    用比較器檢測過零點的基本電路接法，電機的相線(A/B/C)接比較器的同相輸入端，比較器的負端接相線A/B/C的虛擬地電位。虛擬地電位由A/B/C相經過電阻隔離形成，詳細原理可參考相關資料。相線上產生的反電動勢電壓以虛擬地為參考點，做正負周期性的變化。在每次比較器輸出狀態翻轉時，說明檢測到了過零點，接下來需要做換相動作了。A/B/C三相分別需要一個過零點檢測電路，也可用電子開關電路進行實時切換，A/B/C相共用一個過零檢測電路，這通常在集成了模擬外設的MCU內實現。

4．線圈換相的順序
    關於電機運行的換相步驟，需嚴格按照以下的換相順序如圖4所示，應用中需要調換電機的轉動方向，只需把電機的任意兩根相線對調即可。
 

5. 過零點的30度電角度延遲
 
    理想的反電動勢波形和霍爾感測器輸出波形對比圖，從圖中可看出，反電動勢的過零點和霍爾感測器的波形翻轉同步，如果用此反電動勢過零信號進行程序換相會獲得和有感無刷電機一樣的運轉性能。
 
    實際的反電動勢波形和霍爾波形對比圖如上所示，紅線為霍爾的輸出波形，黑色虛線是反電動勢，紫色豎線為反電動勢的過零點，時間軸的方向為從左往右，可以得知反電動勢的過零點比霍爾感測器的輸出波形提前了半個電節拍，即30度電角度。為了能夠在正確的時刻才換相，需要在檢測到反電動勢過零點后延遲30度電角度之後，才進行換相。究竟延遲多長時間才夠30度時間呢?需要對相鄰兩個過零點之間的時間進行計時，因為無刷電機的轉速是會變化的，相應的電周期也會變化。用定時器得到計時值后除以2就是當前電機轉速下的30度電角度延遲時間值，把此時間值裝入一個定時器，並打開該定時器中斷，等延時完畢進中斷即可完成電機換相。