简述ADC采样积分方式的BLDC方波无感控制的原理

作者：Hardy Zhou

本文主要参考了TIDA-010031参考设计，分析下ADC采样积分方波无感控制的原理，方便大家更好地完成类似的方案设计。

1.下面是典型的三相BLDC电机控制框图.

三个半桥驱动BLDC无刷电机，检测低边总线电流

2.典型的BLDC电机相电流和反电动势波形图分析

从波形上看，每60度电角度，只有两个半桥有驱动电压输出，另外一个半桥上下管全关，这个相电压是悬浮态。

BLDC电机运行后，相线都有反电动势。

电机反电动势来源于电机转子旋转引起磁通的变化，而磁通的变化在定子绕组上会产生感应电压。

对同一个电机来说，反电动势峰值跟电机转速几乎是固定的比例。

3.反电动势过零点到峰值的反电动势电压和时间的积分

根据上面对反电动势峰值跟转速(电频率)几乎成固定比例的描述，设定 。Vm为反电动势峰值, 对于同一个电机，我们可以认为Kv几乎不变。

以上图左边的蓝色区域为例，该区域(反电动势过零点时刻到下一次换相点时刻之间的区域)的电角度是30度，也就是电角度（360度）的1/12。

设当前电机电频率为f, 单位为Hz。

反电动势的峰值电压为 ,单位为伏特。

设反电动势从center tap value到最大值的时间为t1, 而 。

那么蓝色积分区域的积分值就等于蓝色三角形的面积：



可以看到，积分结果是Kv值的 ，因此积分结果也是几乎不变的。

所以我们可以根据积分的值跟固定阈值作比较来判断换相点。

4.ADC如何采样反电动势

方波无感BLDC的ADC采样积分控制，电路设计有三相相电压ADC采样电路，每60度电角度区间电机的两相由于半桥有输入电压同时有电感电流，在不增加额外电路的情况下很难获得反电动势电压，而悬浮相由于没有半桥电压输入和电感电流，所以可以从检测该相端电压推导出该相实际的反电动势电压,具体可以看下面的推导,推导过程参考了TI的参考设计TIDA-010031 http://www.ti.com/lit/ug/tiduej4/tiduej4.pdf?ts=1588819919326

所以如果对这个电机控制方法感兴趣的，可以在TI官网上查看该参考设计的软硬件开发资料。

设计上采用下管常开，上管打PWM的策略驱动电机。考虑到电机驱动的PWM duty的大小是变化的，可以根据半桥上管ON的时间长短来决定采样策略，因为如果上管导通时间太短，为了避开MOSFET开通关断的影响，留给采样的时间就变得很少，不利于采样的准确性.

在上管ON的时间比较长时，在上管ON时远离MOSFET开关时刻检测悬浮相的反电动势电压(一般在ON时间的正中间进行采样)。

此时的驱动逻辑是A相上管导通，B相下管导通, 所以有 。

Ea, Eb, Ec为电机三相反电动势电压，va, vb, vc为三相半桥中点电压，也就是电机三相输入电压。

La, Lb, Lc为电机三相相电感，ia, ib,ic为电机三相输入电流，Ra, Rb, Rc为电机三相输入电阻(考虑三相电阻相等), vn为电机三相中点电压。

可以得到当Ec=0，也就是反电动势过零时，， 也就是说当ADC检测到时，就意味着这个时刻是C相的反电动势过零点， 那么理论上再经过1/12 的电周期时间，电机就需要进行换向.

上管ON的时间比较短时，在上管OFF时检测悬浮相的反电动势电压(一般在OFF时间的正中间进行采样)

此时的驱动逻辑是A相上管关闭，B相下管仍导通,此时A相下管MOSFET体二极管续流，所以有。

得到当Ec=0，也就是反电动势过零时,vc=0， 也就是说当ADC检测到vc=0时，就意味着这个时刻是C相的反电动势过零点， 那么理论上再经过1/12的电周期时间，电机就需要进行换向.

从上面的分析，我们可以看到，使用ADC采样积分方式进行无感BLDC控制，设计上需要注意以下两点

积分阈值跟电机的反电动势峰值和转速比值相关，可能会随着电机不同而不同，需要针对电机进行调整。

上管做PWM驱动的设计下， 可以采用不同的ADC采样策略来针对大duty和小duty的情况，同时反电动势过零点的判断也需要调整

电机高速情况下，电频率相对比较高，而ADC积分采样基于PWM开关周期采样的，所以要获得比较准确的换相点，需要比较高的开关频率，如果开关频率比较低，意味着采样速率慢，可能会造成换相延迟比较大，从而影响电机的正常控制。