如何實現無傳感器初始位置檢測

隨著真空吸塵器、洗碗機和冰箱等電機驅動設備和電動工具對節能和系統成本的要求日益提高，傳統內置位置傳感器電機正逐漸被無位置傳感器無刷直流電機(BLDC)所取代。之所以會呈現這一趨勢，源于使用無傳感器控制直流無刷電機時，能夠實現更小的尺寸、更高的外形設計靈活性、更低的成本、以及更佳的耐熱性。

但當無傳感器直流無刷電機處于靜止狀態時，通常的控制方法是無法利用感應電壓實現轉子位置檢測的。如果該瓶頸得以突破，那些需要平滑高速啟動、大扭矩和在啟動階段要求節能的應用，諸如電動工具、機床、運輸設備、機器人、風機、泵類等，就能夠在啟動階段不需要拉動過程，實現平滑和快速啟動，并同時獲得大扭矩和較高的電流效率。

為此，瑞薩電子在RL78/G14微控制器基礎之上，通過添加增強的電機控制功能，包括片上可編程增益放大器(PGA)/雙通道高速比較器(CMP)/電機控制輔助定時器(Timer RX)、豐富的模擬功能和紅外(IrDA)通信功能，推出了RL78/G1F微控制器。

圖1 RL78/G1F微控制器產品概念

RL78/G1F微控制器可以使用跟無傳感器120度傳導控制同樣的輸入輸出電路，包括脈寬調制輸出(PWM)電機控制輸出電路、電流檢測輸入電路以及相電壓輸入電路來控制BLDC電機，從而無需再采用傳感器或編碼器。當電機開始啟動時, 由于靜止狀態下加到一相的電流是可以被區分的，使得平滑和大扭矩的啟動成為可能，同時不會發生意外的反轉。這意味著，在電機速度為零時是可以檢測到轉子位置并反射到啟動控制上的。此外，它們還可以在沒有CPU干預的情況下執行高速過流檢測和PWM強行輸出切斷，因此可以通過少量部件實現高度靈活的電機控制。

如何實現無傳感器初始位置檢測

利用兩種組合檢測處理步驟可以有效的檢測轉子初始位置(分辨率30°)

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步驟1:利用比較器CMP1、定時器RX和相電壓輸入電路實現不超過180°的位置檢測。優勢在于輸入電流小，處理時間短。

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轉子的位置變化會導致電機各相端子之間呈現出不同的電感。當電壓施加在一個相端子上時，另一個相端子上的電壓會有不同的上升狀態，這被用來檢測轉子位置。因為在360度的電角度里兩個周期的變化相同，所以這個方法可以在180度的電角度范圍內識別位置。

圖2 RL78/G1F轉子初始位置檢測步驟1電路/功能方框圖

具體做法是首先在U相上施加電源電壓，并測量V相電壓(VUV)達到門檻參考電壓(VREF1)時經過的時間。再將VUV及VREF1相電壓檢測輸入傳送至比較器(CMP1)進行匹配檢測，并利用Timer RX的計數器值決定當VUV與VREF1相符的時間。Timer RX開始計數，與Timer RD的PWM輸出同步，并與CMP1同步捕獲計數值。CMP1最多可使用四個切換外部輸入進行匹配比較。由于上述操作使用其中三個輸入，故可利用時間量測值達到可重復的結果。

在轉子的永久磁鐵磁場影響下，各相端子間電感L和定時器RX的計數值會根據轉子位置以相同的趨勢變化。通過端子之間的定時器RX計數值的大小關系，可以檢測出轉子位置，分辨率為30°。但是，考慮到這種關系會在360°范圍內重復2個周期，因此轉子所處的那一個180°范圍會由極性判斷處理確定。

圖3 各相端子間電感和定時器的計數值會根據轉子位置變化

深度探討一下步驟1的原理，將有助于我們加深對該應用的理解。

當逆變器電路中所有MOSFET的狀態為OFF時，使用定時器RD的脈沖輸出，只打開其中一個高端MOSFET，結果電壓被施加到電機的一個端子上。于是，雖然電機另一端的電壓上升，但由于通向端子的電路主要來自MOSFET寄生電容，所以電壓上升具有時間常數。也就是說，電容器是由流過電機線圈的電流充電的，并且電壓根據狀態而升高。用于測量其端電壓的部分電壓被輸入到RL78/G1F的比較器CMP1的“+”側，由內部DAC產生的參考電壓VREF1被設置在“-”側以通過CMP1，從電壓施加開始到該CMP1匹配的時間由定時器RX測量。

根據電機線圈的電感L開始流經該線圈的電流受到限制，并且輸入到RL78/G1F的CMP1的電壓上升受到影響。例如，當L大時，電壓上升變慢，定時器RX測量值增加；當L較小時，電壓迅速上升，定時器RX測量值減小。

該測量是在三組電機端子之間的線路上進行的，并且基于定時器RX值的比較結果，轉子位置被確定為一個電旋轉中的一對相反的60°或30°區域。

定時器RX可以使計數開始與控制MOSFET的定時器RD同步，并且可以在CMP1匹配的定時自動捕獲計數值。另外，由于CMP1可以通過切換至四個外部輸入來檢測同一單元的一致性，所以可以在電機的三組端子之間以良好的重復性執行該測量。與定時器RD一樣，定時器RX可以在CPU的兩倍速度下執行最大操作，因此可以以高分辨率執行測量，并且可以檢測到微小的時間差。

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步驟2：利用可編程增益放大器PGA、ADC 和電流檢測輸入電路進行極性識別。相比步驟1，輸入電流較大，處理時間也較長。

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步驟2采用的方法是電機永久磁鐵產生的磁通量與電流通過線圈產生的磁通量會導致線圈鐵芯材料磁飽和，從而使電流更容易流動，因此能識別永久磁鐵的磁極方向。由于此程序以電機電流作為微控制器的輸入電壓，故需要分流電阻。

圖4 RL78/G1F轉子初始位置檢測步驟2電路/功能方框圖

依據處理步驟1的結果，可識別磁鐵指向方向的相位。此步驟中，在繞組+ve(一相)及-ve(兩相)之間施加特定電流，并持續固定的時間(tCONST)。利用可編程增益放大器放大該點(電流檢測輸入)的并聯電壓，并以A/D轉換器量測當電流從W流向U及V時的信號。接著，讓電流以反向流動相同的時間(tCONST)，并以同樣的并聯電壓量測當電流從U及V流向W時的信號，再利用這兩個量測值間的大小關系決定永久磁鐵的磁通量方向。

線圈電流產生的磁通量和永久磁鐵的磁通量對線圈的芯材有影響。在下圖中，鐵心內部的磁通量被I+方向的電流強化，I-方向的電流則減弱鐵心內部的磁通量。隨著電流開始流動，電流隨著線圈電感的影響而逐漸增大，電流引起的磁通密度也相應地增加。當磁芯材料內的磁通密度增加達到發生磁飽和時，線圈的電感減小并且電流變得容易流動。當電流的方向在增加磁通時，電流的行為開始受磁飽和影響的電流值較低，在這種情況下，電流更早容易流動。即在“I+”的情況下電流比“I-”更早容易流動。這樣，電流容易流動的時刻在“I+”和“I-”之間是不同的，并且在稍微超過該時刻的瞬間，“I+”的電流值大于“I-”。然后，通過ADC測量并比較，可以確定永磁體的極性。

圖5 磁通量的顯示

我們沒有比較某個時間段之后的電流值，而是通過使用比較器CMP0和計時器比較直到電流達到發生磁飽和時的特定電流水平時間，再根據被檢測到的“I+”和“I-”差值判斷極性。

盡管僅通過對電動機的三相執行該過程就能夠以60°的分辨率檢測轉子位置，但是這一過程比“檢測處理1”需要更長的時間和電流。通過“檢測處理1”之后，RL78/G1F能夠僅以一個相位進行磁極方向的處理，從而高效檢測轉子初始的位置。

演示套件

在瑞薩電子提供的RL78/G1F無傳感器電機控制演示套件中，電機控制電路由“RL78/G1F CPU板卡”和“用于RX23T的24V電機控制評估系統”逆變器板組成，初始位置檢測和轉子控制演示由“用于RX23T的24V電機控制評估系統”實現。

圖6 RL78/G1F無傳感器電機控制演示套件

在應用于初始位置檢測的處理1中(位置檢測不超過180°)，考慮到必須要在短時間內捕捉到電壓變化，因此電壓測量電路中不能有用于測量的帶有電容的濾波電容器?？墒?，由于轉動控制還需要濾波器,所以在RL78/G1F CPU板卡上增加了一個用于增加端口控制的濾波電容器電路。

而在旋轉控制演示中，針對直流無刷電機的無傳感器120度傳導控制，RL78/G1F支持兩種過零檢測的方法：使用A/D轉換器用于低轉速控制的非比較器法，以及使用CMP1用于高轉速控制的比較器法。在演示中，電機開始啟動時會首先執行非比較器法，當轉速達到1500 rpm時平滑切換到比較器法，如果轉速降低到1450 rpm時，則會從比較器法切換到非比較器法。