bldc无传感器：BLDC无位置传感器控制的关键技术问题剖析

作者：赵云老师（张飞实战电子高级工程师）
01概述：
在无刷直流电机控制系统中，位置传感器（如霍尔传感器等）虽然为转子位置提供了最直接最有效的检测方法，但是它们也使电机的体积变大，需要的信号引线增多，生产成本增加。在某些应用场合（如高温高压），位置传感器的不可靠性更带来了系统运行失效的风险。因此，人们致力于寻找无刷直流电机无位置传感器的控制方法。本文将讨论包括电机驱动方式、PWM 调制方式、转子位置检测方法等无位置传感器控制的关键技术。
02电机驱动方式的选择：
1、主功率电路驱动方式分析
无刷直流电机可以有多相结构，每种结构都可以用全桥或半桥电路来驱动，而全桥驱动又可分为星形和角形联结以及不同的通电方式。不同的选择会使电机及控制系统产生不同性能和成本。以应用最广泛的三相无刷直流电机为例，便有三相半桥驱动、三相星形全桥驱动、三相三角形全桥驱动等多种方式如下图一所示：
(a)半桥驱动方式
(b)半桥驱动方式
图一：无刷直流电机驱动方式示意图
如上图一(a)所示，三相半桥驱动电路的特点是简单，但电机绕组的利用率很低，每个绕组只通电1/3周期的时间，另外2/3时间处于断电状态，绕组未能得到充分利用，其运行时转矩波动较大；对于要求较高的场合，一般采用三相全桥电路，如上图一(b)所示。
无论电机绕组采用何种联结方式，三相全桥驱动电路都有两两导通和三三导通两种通电方式。两两通电方式是指每一瞬间有两只开关管导通或调制，每隔60度电角度换相一次，每次换相改变一只开关管的状态，每只开关管导通120度电角度；三三通电方式是指每一瞬间都有3只开关管同时导通或调制，每隔60度电角度换相一次，每个开关管通电180度电角度。但是在三三通电方式中，对开关管的关断和导通顺序有严格的规定，稍有不慎便会造成上下桥臂同时导通，使直流电源短路而烧毁。
综上分析，本文采用三相星形全桥驱动电路，并采用两两导通的通电方式来探讨无位置传感器控制的关键技术。
2、六步换相法
无刷直流电机采用两两通电的三相星形全桥驱动方式后，每个电周期内换相六次，也即是我们常说的六步换相法。根据通电绕组的不同，将一个电周期平均分成6步，称为6个区间或6个状态，换相发生在两个相邻状态的切换瞬间，由开关管的切换完成。六步换相法的原理如下图二所示。
(a)六步换相每个状态对应的电流方向
(b)定子绕组反电动势波形及开关管导通顺序
图二：六步换相原理示意图
图二(a)显示了六步换相中每一步的电流流过电机绕组的方向，图二(b)显示了每一步电机绕组的反电动势波形及开关管的导通情况。各开关管的导通顺序是V1V4、V1V6、V3V6、V3V2、V5V2、V5V4、V1V4……当V1和V4导通时，电流从V1流入A相绕组，再从B相绕组流出，经V4流回电源，在这个状态中，C相绕组是不通电的，即处于悬空状态。每一状态上都有两相绕组通电，另外一相绕组悬空，这是六步换相法的重要特征，我们该篇文章将要讨论的无位置传感器控制就是基于此实现的。
03PWM调制方式：
PWM控制是最常用的电机调速方式，尤其是近年来IGBT和MOSFET等电力电子器件的发展，PWM的调制频率可达几十甚至几百kHz，为电机的宽转速、快响应灵活调速提供了条件。PWM控制主要是通过PWM波对桥式逆变桥功率管的开关状态进行调制达到对电流的控制和调节。根据PWM的作用时间和作用的开关管不同，可以将PWM调制分为五种模式。在每个开关管导通的120度电角度的时间内，五种调制模式如下图三所示。
图三：120度导通方式下五种PWM调制方式
(1)H_PWM-L_PWM模式：逆变桥上下桥臂采用互补的PWM信号进行调制；
(2)ON_PWM模式：在每个开关管的120度电角度导通空间中，前60度电角度保持恒通，后60度电角度进行PWM调制；
(3)PWM_ON模式：在每个开关管的120度电角度导通空间中，前60度电角度进行PWM调制，后60度电角度保持恒通；
(4)H_PWM-L_ON模式：在每个通电状态中，处于逆变桥中上桥臂的开关管采用PWM调制，下桥臂的开关管保持恒通；
(5)H_ON-L_PWM模式：在每个通电状态中，处于逆变桥中上桥臂的开关管保持恒通，下桥臂的开关管采用PWM调制。
在五种调制方式中，上下桥臂同时调制的方式，如H_PWM-L_PWM，称为“全斩波”调制模式；其他四种调制方式，称为“半斩波”调制模式。“全斩波”模式的开关损耗和定子绕组的电流脉动均是其他“半斩波”模式的两倍，而在“半斩波”的四种调制模式里，在上桥换相过程中，PWM_ON模式和H_PWM-L_ON下的转矩脉动比ON_PWM模式和H_ON-L_PWM模式下的小；在下桥换相过程中，PWM_ON模式和H_ON-L_PWM下的转矩脉动比ON_PWM模式和H_PWM-L_ON模式下的小。
考虑到控制的简单性，我们本文选择最常用的H_PWM-L_ON模式（也被称为上桥斩波下桥恒通），也即在每个通电状态中只对上桥臂进行PWM调制，而下桥臂保持恒通。以状态1为例，AB相导通，当PWM高电平时，V1、V4导通，电源通过V1、V4，电流增加；当PWM低电平时，V1关断，V4导通，电流通过二极管续流。采用H_PWM-L_ON模式能有效的降低电机的转矩脉动，特别是在高速情况下。完整的PWM控制信号如下图四所示。
图四：PWM控制信号波形图
04反电势过零点检测方法的实现：
对于反电动势为梯形波的无刷直流电机，通过检测悬空相电压的过零点，即可得到悬空相反电动势电压的过零点。但是电机的引出线一般只有 A、B、C 三相绕组的引线，能够直接检测到的物理量只有端电压和相电流，因此只有对这些物理量进行处理和运算，才能获得电机的反电动势，检测其过零点。
由于绝大部分电机的中性点并没有引出，因此无法直接将定子端电压与中性点电压进行比较来获取过零点。针对这种情况，其中一种解决方法就是将端电压与直流母线电压的一半进行比较，假定端电压等于VDC/2 的时候发生反电动势过零事件，如下图五所示。这种电路容易实现，只需在绕组引出线上接上比较器即可，故一共需要三个比较器。但是这种方法检测到的端电压信号有正负相移，而且大多数情况下电机的额定电压小于 VDC 电压，因此反电动势过零事件并非总发生在 VDC/2 处，故检测不准确。
图五：端电压与直流母线电压的一半进行比较示意图
另一种方法是将三相定子端电压通过电阻分压网络来构成虚拟中性电压，通过比较端电压与虚拟中性点电压来获取反电动势过零点，如下图六所示。但是由于电机采用PWM 调速，定子端电压上都会叠加高频干扰，影响到反电动势过零点的获取。在许多情况下，都是采用电阻分压并搭配RC低通滤波来实现的，但是这样会导致反电动势信号大幅度地衰减，并且会带来过零点的相移问题，后期要进行相位补偿，增加了控制的复杂程度。
图六：端电压与虚拟中性点进行比较
由上可见，这些方法都依赖于片外比较器，而且可能存在过零点的相移问题。我们这篇文章在六步换相法和反电动势过零点检测方法的基础上，探讨更具针对性而且实现更方便的过零点检测方法。
由图二(b)可以看出，在每个状态中，悬空相的反电动势正负号都会发生变化，故只要我们检测到其反电动势正负号跳变的瞬间，即可捕捉到其过零点。以状态1为例，此时电流从A相绕组流入，由B 相绕组流出，C相悬空。此时的电机等效电路如下图七所示：
图七：状态1电机等效电路
根据等效电路，A、B 相绕组形成电流回路，C相绕组无电流，可得：
式(1)
式中：va、vb、vc ---- A、B、C 三相端电压；
R、L ---- 定子绕组等效电阻、电感；
i ---- 定子绕组电流；
ea、eb、ec ---- A、B、C 三相反电动势；
un ---- 定子绕组中性点电压。
反电势是梯形波，在状态1有ea + eb=0 ，将式(1)前两式相加，得：
式(2)
对式(2)进行整理，得：
 式(3)
由式(1)的第三个式子可得C相反电势表达式：
式(4)
由式(4)可见，C相反电势的表达式各项均为三相端电压，均可直接测量。要检测 ec过零，只需检测
的瞬间即可。由于在该状态1内，ec为下降沿穿越零点，故只需检测ec从正到负的跳变即可。因此，当三相端电压的关系满足
，即是
时，说明 ec出现了过零点。捕捉到过零点后，经过30度电角度，就到达换相点，此时应该将绕组切换至状态2的通电状态（正转情况下），即应该将V4关断，保持V1导通，并将V6开通，进入状态2通电状态。等到状态2的过零条件满足时，再延时30度电角度，则应该把开关管的开关状态切换成状态3对应的状态……如此循环往复，便可实现电机的无传感器运行。
对照状态1，可以得出其他各状态的反电动势过零条件及换相说明，如下表一所示：
表一：各状态反电动势过零条件及换相说明
对照图二和表一可以看出，要实现换相，只需要在检测到反电势的过零点再延时30度电角度后，把定子绕组的通电状态切换为下一区间所对应的状态就可以了。而这种检测方法仅仅依赖于端电压，不需要中性点，也不需要片外比较器，而且运算过程简单，只需要用单片机的 ADC 模块对端电压进行采样转换后，就可以在内部进行过零事件的检测，满足条件时输出1，否则输出0。而由 PWM 调制引起的高频噪声对过零检测的干扰，可以通过基于择多函数的数字滤波器来消除。
本篇文章我们先讲这么多，关于择多函数数字滤波器的设计，将会在后面的文章中继续给大家分享。
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bldc无传感器：BLDC无刷直流电机（无传感器）控制有哪些方法？

BLDC无刷直流电机一般都是用霍尔传感器来换向的，请问去掉传感器有哪些控制方法？  好像是采用反电动势？
无刷直流（BLDC）电机正迅速成为要求高可靠性，高效率和高功率体积比的应用的自然选择。这些电机在很宽的速度范围内提供大量的扭矩，并且与有刷电机具有相似的扭矩和速度性能曲线特性（尽管有刷电机可提供更大的静止扭矩）。
BLDC电机由于消除了传统直流电机换向时使用的电刷而具有显着的可靠性。刷子磨损，降低了电机的性能，最终必须更换。相反，在额定参数范围内运行时，BLDC电机的预期寿命可超过10，000小时或更长。与传统装置相比，这种寿命以及随后的维护和备件成本的降低可以抵消电机的较高初始成本。
不懂不问：硬件工程师薪资不高！？那是你没看这个
BLDC电机正在进入最具成本意识的应用领域。例如，在汽车领域，BLDC电机的使用正在飙升。汽车制造商尤其被电机在机械工作中转换电能的效率所吸引，这有助于降低对车辆电力系统的需求（图1）。
BLDC电机的这种兴趣促使芯片供应商为该单元的电子控制系统开发定制的单片芯片。本文将详细介绍BLDC电机控制芯片 - 用于驱动逆变桥的设备，最终激活电机线圈并控制速度和方向等参数。
01  减少霍尔传感器故障
飞兆半导体公司拥有BLDC电机控制的悠久历史，最近推出的FCM8201芯片仍在继续。该器件专为感应BLDC电机控制而设计。（传感电机需要霍尔效应传感器来指示线圈位置以辅助电子换向序列）。
FCM8201的关键技术进步是它可以选择脉冲宽度调制（PWM）模式。有两种PWM模式可供选择：正弦波模式和方波模式。方波模式包括PWM-PWM和PWM-ON技术，可提高电机驱动效率。
Fairchild解释说，该器件还内置霍尔信号调节电路，可为每个传感器信号输入产生3至6μs的“去抖”时间。该电路减少了霍尔传感器信号转换缓慢时可能出现的毛刺 - 以及随后的错误。
FCM8201可以在没有外部微控制器（MCU）的独立配置中使用，或者如果设计人员想要添加比标准设备支持更多的电机控制功能，则可以通过串行外设接口连接外部MCU（ SPI）接口。图2显示了FCM8201的典型独立应用电路。只需几个外围元件即可完成BLDC电机控制电路。
02 使用电机磁通进行无传感器控制
无传感器BLDC电机取消霍尔传感器，而是依靠电机转动时产生的反电动势的大小来估算线圈位置并确定正确的换向顺序。
无传感器控制是一种流行的技术，因为它简化了电机的机械设计，但一个缺点是电机静止时不会产生反电动势，而电机低速运行时则很少。这使得控制器难以确定线圈的位置。
针对低成本BLDC安装，德州仪器（TI）推出了InstaSPIN-BLDC电机控制技术来解决这一问题。该公司表示，InstaSPIN-BLDC是一种无传感器控制技术，在50多种不同电机类型的现场测试中，能够在不到20秒的时间内启动和运行每台电机。简而言之，TI将InstaSPIN-BLDC描述为在三相BLDC电机上执行无传感器换向的软件方法。据该公司称，它的优势包括电机调试非常快速，即使在低速时也能实现强大的控制，以及超越速度扰动的卓越能力。
与基于反电动势过零时序的其他无传感器BLDC控制技术不同，InstaSPIN-BLDC监控电机的磁通量，以确定何时换向电机。在自由图形用户界面（GUI）的帮助下（图3），用户在绘图窗口中确定通量信号，并设置“通量阈值”滑块以指定电机应换向的通量水平。TI表示，可以通过观察GUI上显示的相电压和电流波形来验证最佳换向。
图3：TI的InstaSPIN-BLDC使用一个免费的GUI来启用设计工程师为快速电机启动设置磁通阈值。
与磁通信号不同，低传感器BLDC电机在较低速度下产生的低反电动势信号导致较差的信噪比（SNR）性能。该公司声称InstaSPIN-BLDC可在低速下实现更平稳的操作，即使在重负载下也能提供更可靠的电机启动。
TI为其InstaSPIN-BLDC提供培训模块。该公司还提供使用DRV8312/32 BLDC电机驱动器的三相BLDC电机套件（DRV8312-C2-KIT）和带有F controlCARD子系统的Piccolo MCU，以运行无传感器InstaSPIN-BLDC技术。该公司发布了一份应用报告，详细说明了如何设置系统。
03 设计的灵活性
一些制造商提供没有集成处理器的驱动芯片，以便熟悉特定MCU的设计人员使用该设备进行监督电路。或者，与上述Fairchild芯片的情况一样，一些供应商允许设计人员通过添加更强大的外部MCU来覆盖内部处理器。
传感器和无传感器BLDC电机的优势在于它们越来越多地应用于以前由传统电机主导的应用。虽然比后者更昂贵，但这种前期费用可以抵消较低的维护成本和BLDC电机的较长寿命。
希望利用这些轻巧，紧凑，功能强大的电机的设计人员会发现，通过引入主要芯片供应商的芯片和设计工具，控制系统设计变得更加容易。还有一些选项可以让设计师在设计中获得更大的灵活性，从而增加将最终产品与竞争对手区分开来的机会。

bldc无传感器：三相无传感器BLDC控制器方案

峰岹科技68系列(6801、6802、6803、6804)是集成 8051 内核和电机控制引擎(ME)的“双核”电机驱动MCU，8051 内核处理常规事务，ME 处理电机实时事务，双核协同工作实现各种高性能电机控制。低压应用芯片内部集成MOSFET驱动电路。其中 8051 内核大部分指令周期为 1T 或 2T，芯片内部集成有高速运算放大器、比较器、Pre-driver、高速ADC、高速乘/除法器、CRC、SPI、I2C、UART、多种 TIMER、PWM 等功能，内置高压 LDO，适用于 BLDC/PMSM 电机的方波、SVPWM/SPWM、FOC 驱动控制，可广泛应用于电动工具、电调、园林工具、消费电子等领域。此处以6861系列芯片为例，介绍本公司三相无感BLDC控制器方案的特点。

FU6861芯片特性：
“双核”：高速8051内核，专用电机控制引擎(ME)；
宽电压输入：5V~36V；
内置6N Pre-driver驱动；
Pre-driver输出峰值电流：H:0.8A；L:0.8A；
8通道12位高速ADC；
集成4个运算放大器；
集成4路比较器；
I2C/SPI/UART接口；
16Kx8bit Flash ROM、带CRC校验功能、支持程序自烧录和代码保护功能堵转保护（堵转信号输出）；
256x8bit IRAM，768x8bit XRAM;
单周期16*16位乘法器，32 / 16位除法器（16个时钟周期）；
两线制 ICE 在线仿真功能；
4级优先级中断、16个中断源；
内置24MHz±2%精准时钟；
应用：电动工具 园林工具 航模电调 消费电子
FU6861Q(QFN56)。
图1 FU6861Q框图
FU6861方波驱动特点：
1、 驱动方式方波，初始位置检测，启动力矩大；
2、 内部软件完成速度闭环以及限流；
3、 集成MOSFET驱动电路，驱动电流大，可靠性高；
4、 集成反电动势过零比较器，通用运算放大器，简化外围电路；
5、 无感电机启动参数外部可调，不同负载电机均能顺利启动；
6、 多种调速方式；
7、 方案成熟可靠，开发周期短。

方案应用：
图2所示为FU6861电动工具应用的电机驱动板PCBA，配合公司成熟代码帮助客户快速完成项目。
图2 FU6861电动工具驱动板PCBA
电动工具评估板特性:
8~36v输入电压
无HALL方波控制
15A输出电流，90A峰值电流
电位计调试，按键启停，按键正反转
故障报警指示
原理图：

bldc无传感器：无传感器BLDC和FOC堵转检测方法

基于S12ZVM的车用无传感器BLDC堵转检测方法探讨
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介绍了车用无传感器BLDC堵转检测的重要性以及实现的方法，分别讲述了六步方波堵转检测以及FOC正弦波堵转检测的方法。重点介绍了基于S12ZVM的FOC正弦波堵转检测的原理、代码实现和测试。最后总结了S12ZVM在车用BLDC电机控制中的优势，特别是对于FOC正弦波控制而言。有了恩智浦强大的汽车电机Enablement，AMMCLIB，FreeMASTER、MCAT、ToolBox等等，很多复杂的功能和算法实现起来都容易了很多。本文希望对于使用S12ZVM来开发BLDC项目的工程师，能起到一定的帮助作用。

随着汽车自动化程度不断提高，电机在汽车上的应用也越来越广泛。无论是传统燃油汽车还是新能源汽车，电机作为执行器，扮演着越来越重要的角色。汽车电机大家族里面有一类电机叫流体控制类电机，包括各类风扇、鼓风机、水泵、油泵以及压缩机等。这些电机目前很多都已经使用无刷直流电机（BLDC），或者在往无刷直流电机切换的过程中。无刷直流电机有着高效、高可靠性的特点，再加上流体类电机几乎不工作在低速区，因此无传感器的无刷直流电机控制就特别适合汽车的这些应用。

无刷直流电机的无传感器控制一般包含方波控制和正弦波控制。无论是哪一种控制方式，由于没有传感器信号的接入，一旦遇到外界阻力或者巨大的负载突变，都可能会使得系统进入到堵转状态。在这种堵转状态下，电机只是原地抖动并消耗电流，而系统会处于异常状态。长时间保持这样的状态，无疑是有害的。

众所周知，对于有传感器的无刷直流电机系统，堵转检测就变得很简单了。只需要检测传感器信号是否在正常刷新就可以了，而对于无传感器系统，可靠的堵转检测就变得没那么容易了。本文会就这个议题进行详尽的解析，希望可以起到抛砖引玉的作用，对大家无传感器的无刷直流电机控制项目起到实际的帮助作用。

一． 六步方波无传感器BLDC堵转检测

对于直流无刷电机的无传感器六步方波，转子位置信息的获取是通过对三相反电动势信号进行采集、比较和计算得到的；其转速也是通过根据过零点的时间差计算得来的。其系统框图如图1所示。但如何来实现其堵转检测功能呢？NXP的无传感器BLDC方波控制方案给出了答案，总体思路就是对反电动势过零的周期进行判断。如果反电动过零周期异常并持续一段时间，就触发堵转检测。在AN4704的参考程序中，StallCheck函数就是实现堵转检测的。可以看到首先该函数对6个过零点周期进行判断，找出最大值和最小值；然后再计算6个过零点周期的平均值；接着对过零点周期平均值和最大值的一半以及过零点周期平均值和最小值的2倍进行比较，如果过零点周期平均值小于最大值的一半或者大于最小值的2倍，那么就属于异常状态，堵转检测故障因子就增加。另外一点就是还要考察如果过零点周期的最小值，看其是否小于设定的堵转检测换相周期最小值，如果是的话，堵转故障因子也增加。如果以上的条件都不满足的话，堵转因子就减小。最后判断堵转因子的值如果超过设定值，就产生堵转事件停机。

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图1 无传感器BLDC方波控制系统框图

经过实践的证明，无论是启动阶段还是正常运行阶段，该堵转检测方法都可以可靠且有效的检测出堵转事件。其后面的物理含义也是比较好理解的，我们都知道电机正常运行时，一个电周期中有6次换向，对于大部分流体类应用，连续的6个换向周期内不会存在很大的突变，因此其平均值和最大值及最小值的差距不会特别大，且最小值也不会特别小，因此这两个判据是可以可靠的把堵转事件给检测出来的。

相应的代码请参考AN4704的软件包里的StallCheck函数。当然，可以根据电机参数及实际应用，修改STALLCHECK_MIN_CMT_PERIOD和STALLCHECK_MAX_ERRORS的值。对于STALLCHECK_MIN_CMT_PERIOD参数，主要是考虑到电机的最高转速下对应的值，其越小，电机的转速越高，堵转事件发生的条件就越苛刻；对于STALLCHECK_MAX_ERRORS参数，实际上就是容错处理，其值越大，也是越不容易发生堵转事件。

StallCheck的流程图如图2所示。对于方波控制来讲，堵转检测确实不算复杂，那对于磁场定向控制的无传感器方案呢，堵转检测功能该怎么做呢？

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图2 无传感器BLDC方波控制堵转检测流程图

二． 正弦波FOC无传感器堵转检测

目前对于无刷直流电机的无传感器FOC控制来讲，其堵转检测一般有两种方法，速度波动检测法和反电动势校验法。

2.1 速度波动检测法

速度波动检测法的基本思路就是在快速环路（电流环）内记录观测器输出的速度值，然后在慢速环路（速度环）内计算速度的平均值以及速度的波动。如果速度的波动超过设定的阈值就可以判断为发生了堵转事件。是不是感觉这种方法似曾相识呢。速度波动法和前面介绍的无传感器BLDC的方波控制堵转检测实质上是一个思路，那就是判断速度反馈是否合理。由于速度波动检测法本身比较简单，另外对于一些反电动势观测器来讲，在某些特定场景下，这种方法可能失效，特别是负载突变的时候，反电动观测器还会继续工作，电机相电流波形也很好，速度输出也会很稳定，但实际上电机并没有运行而是在原地抖动。基于这个原因，本文并不推荐速度波动检测法来检测堵转事件，也就不再花篇幅来深入下去了。另一方面，反电动势校验法则可靠很多，会是本文的重点。

2.2 反电动势校验法

目前反电动势校验法是检测无传感器FOC方案的主流方案。接下来会重点介绍该方法的原理、代码实现及测试等。

2.2.1原理

对于无传感器的FOC控制，恩智浦方案中最常用的是反电动势观测器，其框图如图3所示。该观测器将αβ坐标系的电压和电流通过Park变换到垂直的γδ坐标系。而γδ坐标系和同步坐标系dq之间的角度差是θerr。后面的Position Tracking Controller实际上就是个PLL，目标是锁定θerr=0；从而确保输出的θestim和转子真实的位置重合。图4为γδ坐标示意图。

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图3 反电动势观测器和PLL框图

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图4 γδ坐标系示意图

由图3可以看到back-EMF State Filter的输出是γδ坐标系的反电动势。当γδ坐标系与dq坐标系重合的时候，Eδ实际上就是Eq。如果观测器正常工作，Eδ的输出是和转速成正比例的，转速稳定的情况下，Eδ也是平稳的。从另一个角度来看，对于q轴反电动势，如果知道反电动势系数和转速，也是可以根据公式来计算得到的。这样就会有两种途径来获得q轴的反电动势，一个是从观测器输出得到，另一个是从转速和反电动势系数得到。如果两个途径得到的反电动Eq相差比较大，超出了阈值，就可以判定为堵转事件。原理图框图如图5所示。

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图5 反电动势校验法原理框图

2.2.2 代码实现

由于恩智浦在汽车电机控制上的积累，使得AMMCLIB（Automotive Math and Motor Control Library）非常适合于汽车电机的应用。无论是数学运算还是各种滤波器，目前AMMCLIB都能很好的支持，同时AMMCLIB还集成了包括扩展的反电动势观测器在内的诸多高级电机控制算法。AMMCLIB可以说是为汽车行业量身定做的，其满足SPICE LEVEL 3标准。因此本文的代码也是基于AMMCLIB来写的。

上面的原理框图中，ε为允许偏差范围百分比；如果允许20%偏差，那么ε=0.2；Ke与Ke_offset可以通过实验的方法得到。举例说明如下，比如恩智浦的演示电机，可以分别让其跑在1000RPM、2000RPM、3000RPM以及4000RPM稳定转速下，分别得到其Eq值和转速值。然后做一个线性方程就可以解出Ke和Ke_offset，理论上两个点就可以了。然后设置一个合理的ε值，比如20%。这样就可以算出来Eq的变化范围，然后去比较Eδ和Eq的范围边界，如果出界，ErrorCounter加1。如果在一定的Counter范围内，ErrorCounter超出设置阈值，则判断为堵转事件发生。图6对Eδ的允许范围做了很清晰的描述，如果Eδ不在蓝色的范围带内，就说明观测器输出是异常的，积累一定次数后就可以判定堵转事件。然后就可以进入到堵转故障处理程序了，通常是停机，然后尝试重新启动。这部分代码实现不算复杂，目前实现该功能的基本代码已经写好了，限于篇幅的原因，就不直接放出来了。

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图6 反电动势Eδ允许的范围示意图

2.2.3 测试

堵转检测的测试主要考察两个方面，一个是启动阶段，一个是正常运行阶段。测试平台采用恩智浦的S12ZVMx12EVB开发套件，搭配12V电源和示波器。如图7所示。

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图7 无刷直流电机堵转检测平台

测试1：启动阶段用手堵住电机的圆盘，然后启动电机运行，目标转速1000RPM。因为电机被堵转，没法转动，此时电机出现抖动，电流保持正弦。此时堵转检测功能没有使能，电流激励一直维持。

测试2：其他条件和测试1一致，使能堵转检测功能。电机在抖动几秒后触发了堵转故障，成功了检测出了堵转故障。重复10次每次都可以成功。

测试3：其他条件和测试2一致，但没有在启动前就堵转电机，而是等待进入速度闭环，也就是稳定跑到1000RPM时，突然施加外力到圆盘上，电机在励磁几秒后触发了堵转故障，成功的检测出堵转事件。整个测试故障可以在FreeMaster上进行查看，一个触发成功的图片如图7所示。

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图8 FreeMASTER上堵转故障被触发

测试结论：该堵转检测方法经过测试验证是有效的。

三． 总结

本文所用的测试平台就是恩智浦的S12ZVM系列，属于MagniV家族重要成员。S12ZVM内部集成了电源（LDO）、功率器件的PreDriver（GDU）、通信接口（LIN、PWM或者CAN）以及S12Z内核的高速高效率单片机。总之，S12ZVM是一个高度集成的智慧型产品，非常适合一体化BLDC的驱动。

以下罗列S12ZVM对于FOC控制的诸多优点，还有很多优点都没法一一罗列，用过的都知道。

1. 内核以及PWM时钟最高100MHz，总线速度可达50MHz；

2. 双路12位ADC，可同时支持两相电流采样，确保电流精度；

3. 内置双运放，运放输出直连比较器，确保硬件保护的可靠；

4. PTU、ADC以及PWM协同工作实现DMA搬运数据，可以在PWM的任意位置触发ADC，且非常适合需要动态更改和多次触发的场景；

5. 恩智浦的FreeMASTER搭配MCAT，FOC控制so easy；

正因为恩智浦强大的芯片和Enablement的支持，BLDC的控制就变得简单了很多，而且在这个平台上开发其他功能也简单了。本文就是基于恩智浦的Enablement开发了无传感器BLDC的堵转检测功能，从BLDC方波到FOC正弦波，都给出了解决方案。