孫旭霞，胡少一，高沁源

(西安理工大學(xué)，西安710048)

0 引 言

反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的一種常用的位置檢測(cè)方法。由于在PWM 調(diào)制過(guò)程中，反電勢(shì)信號(hào)會(huì)受到強(qiáng)噪聲干擾，若采用傳統(tǒng)的反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法，需進(jìn)行深度濾波才能保證有效位置信號(hào)的獲取。本設(shè)計(jì)采用PWM ON 反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法進(jìn)行位置檢測(cè)，該方法只需經(jīng)過(guò)一階阻容濾波網(wǎng)絡(luò)即可有效削弱PWM 引起的干擾信號(hào)和續(xù)流二極管續(xù)流導(dǎo)致的尖峰脈沖，避免誤過(guò)零現(xiàn)象的出現(xiàn)。在起動(dòng)過(guò)程中，本設(shè)計(jì)對(duì)“三段式”起動(dòng)方法進(jìn)行改進(jìn)，在加速階段引入恒壓頻比控制，避免在起動(dòng)過(guò)程的失步現(xiàn)象，保證電機(jī)更加平滑切換至無(wú)位置閉環(huán)控制。

1 PWM ON 反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)

本文以具有梯形反電勢(shì)波形的三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，并以?xún)蓛蓪?dǎo)通的驅(qū)動(dòng)方式為例子。忽略電樞反應(yīng)、開(kāi)關(guān)管以及續(xù)流二極管的導(dǎo)通壓降，當(dāng)任意時(shí)刻只有兩相導(dǎo)通而另一相未導(dǎo)通時(shí)，可以檢測(cè)出未導(dǎo)通相的反電動(dòng)勢(shì)。在檢測(cè)到未導(dǎo)通相反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)后，延時(shí)30°電角度，可確定電機(jī)的換相時(shí)刻。因此，可通過(guò)測(cè)量反電勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)信息得到確定的轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行換相。以360°電角度作為一個(gè)“電周期”，正常狀態(tài)運(yùn)行的反電勢(shì)波形和電流波形如圖1 所示。

在實(shí)際應(yīng)用中，通常對(duì)逆變橋功率管施加PWM來(lái)控制電機(jī)調(diào)速。采用PWM 調(diào)制時(shí)，三相端電壓和中性點(diǎn)包含有與功率管開(kāi)關(guān)頻率相同的高頻干擾信號(hào)，而合理的反電勢(shì)采樣時(shí)機(jī)可有效削弱高頻信號(hào)的干擾。按采樣時(shí)刻的不同，反電勢(shì)的過(guò)零檢測(cè)可以分在功率管導(dǎo)通時(shí)刻和在功率管關(guān)斷時(shí)刻采樣采樣，即PWM ON 和PWM OFF 兩種不同的采樣方法。

圖1 反電勢(shì)波形和電流波形

由于PWM 調(diào)制方式對(duì)開(kāi)關(guān)損耗和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的不同，本文采用單斬方式“H -ON -L -PWM”進(jìn)行PWM 調(diào)制，只針對(duì)該調(diào)制方式對(duì)兩種采樣方案進(jìn)行分析。

如圖2 所示，在PWM ON 時(shí)刻，以BC 導(dǎo)通為例，電流流向由電源正端經(jīng)過(guò)V2 和V6 流向電源負(fù)端。

圖2 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型如下:

式中:ia，ib，ic為三相電流;r 為電樞繞組的電阻;LM為電樞繞組電感。由圖2 可知:ib= -ic，eb= -ec，ia=0。代入數(shù)學(xué)模型可得:Ua=ea+UN。由此可知，只需要經(jīng)過(guò)將不通電相的繞組端電壓Ua進(jìn)行簡(jiǎn)單的阻容濾波，并和中性點(diǎn)電壓UN比較，即可獲得反電勢(shì)ea的過(guò)零點(diǎn)信息。

在PWM OFF 時(shí)刻，同樣以BC 導(dǎo)通為例，電流經(jīng)過(guò)V2、D3 形成閉合回路。由圖2 可知:ib= -ic，ia=0，Ub=Uc=UN=Ud代入數(shù)學(xué)模型可得:Ua=ea+Ud。因此，直接檢測(cè)懸空相A 相繞組的端電壓Ua和母線(xiàn)電壓Ud相比較，即可獲得所需的反電勢(shì)ea過(guò)零點(diǎn)的信息。

將兩種采樣方式進(jìn)行對(duì)比，PWM ON 時(shí)刻采樣得到的端電壓信息包含反電勢(shì)信息和中性點(diǎn)電壓信息，而PWN OFF 時(shí)刻采樣得到的端電壓信息包含反電勢(shì)信息和母線(xiàn)電壓信息。但是PWN OFF 不能在全工況狀態(tài)下運(yùn)行，同時(shí)PWM OFF 期間續(xù)流二極管導(dǎo)通所產(chǎn)生的尖峰脈沖同樣也會(huì)造成過(guò)零點(diǎn)的捕捉錯(cuò)誤。故采用PWM ON 采樣方式進(jìn)行采樣。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)硬件總構(gòu)成

硬件系統(tǒng)整體框圖如圖3 所示。系統(tǒng)硬件系統(tǒng)主要由C8051F310 控制單元、無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器、反電勢(shì)檢測(cè)模塊和轉(zhuǎn)速接收模塊和電源模塊構(gòu)成。

主控模塊和驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)成兩塊基本相同的PCB 板，并通過(guò)板對(duì)板接插件連接。這種方式大大減小了硬件的體積，同時(shí)也利于對(duì)分模塊的單獨(dú)調(diào)試。

圖3 系統(tǒng)的硬件控制整體框圖

2.2 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用三相全橋逆變電路，選MOSFET 作為功率器件，并選用了雙邊可獨(dú)立控制的半橋驅(qū)動(dòng)器IR2103 作為半橋驅(qū)動(dòng)電路。由于系統(tǒng)空間的限制，本文未涉及電流保護(hù)，但在驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)上采用功率MOS 管并聯(lián)實(shí)現(xiàn)均流效應(yīng)，減少大電流對(duì)MOS 管的沖擊并分散散熱。實(shí)際電路中選擇Vishay Siliconix 公司生產(chǎn)的N 溝道MOS管Si7164DP 作為功率器件，每一路選擇四個(gè)MOSFET 進(jìn)行并聯(lián)使用。為了獲得更好的并聯(lián)效果，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，保證每個(gè)MOS 管的漏極到功率電源VH的正端之間的連線(xiàn)長(zhǎng)度盡可能相等。電路圖如圖4 所示。

圖4 單橋臂的并聯(lián)MOS 管電路圖

每個(gè)Si7164DP 可通過(guò)的漏極直流電流最大為60 A，可通過(guò)的漏極脈動(dòng)電流最大為80 A。由此可知，本電路可以驅(qū)動(dòng)的直流電流240 A、脈動(dòng)電流320 A，可滿(mǎn)足無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)大電流驅(qū)動(dòng)的要求。Si7164DP 采用S0 -8 貼片式封裝，滿(mǎn)足了硬件小體積的要求。

2.3 反電勢(shì)檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

PWM ON 的反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法采用端電壓檢測(cè)，將懸空相非導(dǎo)通相的相電壓與中性點(diǎn)電壓比較，即可獲取反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)。在無(wú)位置控制器中一般可省去外接的中性點(diǎn)引線(xiàn)，通過(guò)在電路中重構(gòu)中性點(diǎn)的方式來(lái)獲取中性點(diǎn)電壓。

在PWM ON 狀態(tài)下，端電壓和虛擬中性點(diǎn)都會(huì)受到PWM 信號(hào)的干擾，需要進(jìn)行濾波處理，通常采用一階RC 電路進(jìn)行低通濾波。如圖5 所示，以A相為例，電機(jī)三相電壓經(jīng)過(guò)R23、R27、C20 分壓濾波后輸入到單片機(jī)作為ADC 差分信號(hào)的正輸入，然后將重構(gòu)的中性點(diǎn)UN作為ADC 差分信號(hào)的負(fù)輸入，進(jìn)行差分比較獲取反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)。其中UN=(UA+UB+UC)/3。

圖5 反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序流程

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)可分為兩個(gè)主要階段運(yùn)行:起動(dòng)運(yùn)行階段和閉環(huán)運(yùn)行階段?！叭问健钡钠饎?dòng)方式分為三步:位置鎖定、加速、狀態(tài)切換。主程序根據(jù)當(dāng)前電機(jī)的工作狀態(tài)，對(duì)驅(qū)動(dòng)不同功率器件施加驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)“六步換相”運(yùn)行。用Motor_status定義當(dāng)前的電機(jī)狀態(tài)。0，1 表示起動(dòng)前的兩次鎖定階段，2 表示運(yùn)行加速階段，3 表示運(yùn)行等待切換階段，4 表示閉環(huán)運(yùn)行階段。在一次成功起動(dòng)運(yùn)行的過(guò)程中，電機(jī)必須要經(jīng)過(guò)0 ～3 的起動(dòng)階段，并通過(guò)切換過(guò)渡到閉環(huán)運(yùn)行方式。其中，合適的起動(dòng)策略和準(zhǔn)確的反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)信息在電機(jī)起動(dòng)運(yùn)行中至關(guān)重要。如圖6 所示。

圖6 主程序流程圖

3.2 反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)信息的捕獲與處理

為了實(shí)現(xiàn)PWM ON 的采樣方式，本文在每次T0溢出時(shí)起動(dòng)一次ADC 轉(zhuǎn)化，并將T0 的定時(shí)時(shí)間設(shè)為42 μs，保持與PWM 的工作頻率23.4 kHz 一致。需要注意的是，為了保證每一次的采樣點(diǎn)在PWM的開(kāi)通時(shí)段，需要在第一次進(jìn)入中斷時(shí)，對(duì)采樣點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)，該工作在T0 中斷中進(jìn)行。在每次進(jìn)入ADC 采樣中斷后，記錄當(dāng)前采樣值和上一周期的采樣值的正負(fù)標(biāo)志。若標(biāo)志不同，則認(rèn)為當(dāng)前時(shí)刻為過(guò)零點(diǎn);若相同，只進(jìn)行計(jì)數(shù)。在檢測(cè)過(guò)程中，若未出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)誤過(guò)零點(diǎn)剔除后，可根據(jù)兩個(gè)相鄰過(guò)零點(diǎn)的之間的計(jì)數(shù)值獲取當(dāng)前電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并推出延時(shí)角的時(shí)間，用T1 定時(shí)器定時(shí)等待換相時(shí)刻。如圖7 所示。

圖7 反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)信息的捕獲與處理流程

3.3“三段式”起動(dòng)軟件設(shè)計(jì)

在軟件上，設(shè)計(jì)了“預(yù)定位”程序、加速及切換程序。

在加速階段，若施加的勵(lì)磁電流過(guò)小，轉(zhuǎn)子將不能快速到達(dá)預(yù)定位置;若過(guò)大，則轉(zhuǎn)子過(guò)快轉(zhuǎn)到預(yù)定位置，并在轉(zhuǎn)到定子合成磁勢(shì)位置后衰減振蕩。勵(lì)磁電流的大小由PWM 占空比決定。為了避免失步與振蕩，采用斜坡式的加速曲線(xiàn)與“恒壓頻比”的控制方式，通過(guò)調(diào)整壓頻比施加不同大小的勵(lì)磁電流。加速過(guò)程涉及以下幾個(gè)重要參數(shù):加速度、初始速度、加速斜坡序列的拍數(shù)、恒壓頻比K、速度和PWM占空比。根據(jù)初始的速度和壓頻比，可算出第一拍的運(yùn)行時(shí)間和PWM 占空比。并根據(jù)設(shè)定的加速度計(jì)算出下一步的速度，再計(jì)算第二步的運(yùn)行時(shí)間和PWM 占空比。通過(guò)遞歸運(yùn)算，可得出每一步的運(yùn)行時(shí)間、速度和PWM 占空比。如圖8 所示。

當(dāng)加速起動(dòng)完成后，即可進(jìn)行切換。當(dāng)連續(xù)檢測(cè)到三次有效的反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)，即認(rèn)為切換成功。

在加速起動(dòng)后和切換完成期間，保持最后一步的運(yùn)行時(shí)間和PWM 占空比不變，繼續(xù)進(jìn)行換相。這樣會(huì)在加速完成后或者切換失敗后繼續(xù)給電機(jī)施加勵(lì)磁電流來(lái)維持速度相對(duì)穩(wěn)定，保證電機(jī)不會(huì)停轉(zhuǎn)，才能進(jìn)行下一次切換嘗試。

圖8 加速曲線(xiàn)參數(shù)的遞歸運(yùn)算

經(jīng)反復(fù)測(cè)試，該起動(dòng)方法可平滑切換至無(wú)位置閉環(huán)運(yùn)行。

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)控制對(duì)象為J86 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，其主要參數(shù):電壓24 V(DC)，額定電流13 A，電阻(20°)156 mΩ，電感107.8 μH，反電勢(shì)線(xiàn)有效值2 750 r/min，轉(zhuǎn)矩1 N·m，極對(duì)數(shù)22 極。測(cè)試過(guò)程中，通過(guò)外圍的調(diào)速旋鈕模擬外部接收機(jī)，給定轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)速。要求調(diào)速范圍在300 ～2 750 r/min，轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)誤差限制在1%內(nèi)。

圖9 為A 相端電壓和反電勢(shì)過(guò)零信號(hào)，處在調(diào)制狀態(tài)下，近似呈梯形。由端電壓波形看出，端電壓在調(diào)制狀態(tài)下會(huì)受到PWM 引起的噪聲干擾，需要進(jìn)行濾波處理。同時(shí)，在每次換相時(shí)刻，會(huì)出現(xiàn)由續(xù)流二極管續(xù)流作用引起的尖峰脈沖。因此，在軟件上采取了在PWM ON 時(shí)刻采樣的方案，并對(duì)端電壓進(jìn)行濾波處理。圖10 為端電壓和濾波后的波形對(duì)比，經(jīng)過(guò)濾波后，可獲取圖9 中的反電勢(shì)過(guò)零信號(hào)。圖11 為端電壓和電流波形。

實(shí)驗(yàn)用轉(zhuǎn)速表UT372 對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試，圖12 為給定轉(zhuǎn)速2 750 r/min 轉(zhuǎn)速波形，圖13 為給定轉(zhuǎn)速1 500 r/min 轉(zhuǎn)速波形。經(jīng)測(cè)試，在起動(dòng)過(guò)程中未出現(xiàn)失步現(xiàn)象，在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)誤差可限制在0.05%內(nèi)。

圖9 A 相端電壓和反電勢(shì)過(guò)零信號(hào)(截圖)

圖10 端電壓和濾波后的波形對(duì)比(截圖)

圖11 端電壓和電流波形(截圖)

圖12 給定轉(zhuǎn)速2 750 r/min 轉(zhuǎn)速波形

圖13 給定轉(zhuǎn)速1 500 r/min 轉(zhuǎn)速波形

5 結(jié) 語(yǔ)

本文采用PWM ON 反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法作為轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)的方法，并基于該無(wú)位置控制方法搭建無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采用PWM ON 反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)位置控制系統(tǒng)可準(zhǔn)確獲取位置信號(hào)，起動(dòng)穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速誤差很小，抗擾性能較好。在電機(jī)起動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中未出現(xiàn)失步現(xiàn)象，具有良好的運(yùn)行性能，可滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。

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