明　鑫

廣西職業(yè)技術學院計算機與電子信息工程系，南寧530226

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基于單周期控制的PWM電流控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)*

明鑫*

廣西職業(yè)技術學院計算機與電子信息工程系，南寧530226

摘要：針對無刷直流電機（BLDC）驅動器的電流控制問題，提出了一種改進的基于單周控制的低成本轉子位置估算方法。該估算方法以真實反電勢過零點的檢測為依據，這些真實反電勢過零點可直接通過檢測相端和直流環(huán)節(jié)中點之間的電壓來提取，無需電機中性點電壓。電流控制系統(tǒng)通過一種低成本的通用自動電壓調整微控制器（Atmega8）來實現(xiàn)。MATLAB仿真和實驗測試結果均顯示相比傳統(tǒng)的滯環(huán)控制器方法，改進后的PWM（脈沖寬度調制）無刷直流電機電流控制系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩種情況下表現(xiàn)出更好的性能。

關鍵詞：無刷直流電機；單周控制；無位置傳感器控制；AVR微控制器；脈沖寬度調制

無刷直流電機具有高效率、高功率密度、易于控制和維護成本低等優(yōu)點，因此它們廣泛應用于汽車、計算機、工業(yè)及家用產品［1］。對于正弦供電交流電機如感應和永磁同步電機，已經開發(fā)了磁場定向控制，該種控制方法在電力牽引應用中提供了高動態(tài)性能［2］。然而，這種控制方法需要大量的計算，并且由于其自身原因不能用于非正弦交流電機，例如具有梯形反電勢的無刷直流電機［3］。

傳統(tǒng)的無刷直流電機是通過直流環(huán)節(jié)電流調節(jié)方法進行控制的，只使用一個電流傳感器作為直流電機，這是無刷直流電機相比其他交流電機所具有的主要優(yōu)勢。通常滯環(huán)控制器用來調節(jié)電流，而不使用比例積分控制器。滯環(huán)控制器使用簡單，但具有可變開關頻率并且導致高頻脈動。研究人員已經提出一些固定頻率PWM方法，以提高電流調節(jié)的性能。本文通過使用單周控制方法已經解決了在無刷直流電機驅動器中的傳統(tǒng)滯環(huán)電流控制器的問題。單周控制方法是一種大信號非線性控制方案，具有快速動態(tài)響應、優(yōu)秀電源抗干擾和自動切換誤差消除的顯著優(yōu)勢。要提供無刷直流電機驅動器中的換相信號，需要轉子位置。采用軸角編碼器增加了系統(tǒng)尺寸、成本和維護難度。因此，在制造過程中，在無刷直流電機的內部采用了3個霍爾效應位置傳感器。但是，由于可能會造成永久性損壞的高溫和振動，轉子位置傳感器具有一些缺點［4］。此外，如果霍爾效應傳感器失效，應對無刷直流電機進行拆卸和修理，而在使用編碼器的情況下，無需拆卸無刷直流電機。

基于這些事實，采用無位置傳感器的方法不僅可降低驅動器的成本，而且可增加驅動器的可靠性。文獻［5］已經提出了無刷直流電機無位置傳感器操作的各種方法［5］。由于其簡單性、易于實施并且成本更低，基于反電勢的無位置傳感器方法是最受歡迎的［6-7］。本文提出了一種改進的基于單周控制方法的無位置傳感器無刷直流電機PWM電流控制系統(tǒng)，以調節(jié)直流環(huán)節(jié)電流。單周控制利用開關變換器的脈沖和非線性性質來實現(xiàn)一個開關變量的平均值的瞬時動態(tài)控制。

1　單周控制原理

單周控制方法是一種PWM控制方法［8-9］。它也稱為積分復位方法，其中，關鍵要素是復位積分。單周控制方案由控制器、比較器、多比特積分器和時鐘組成，如圖1所示。K1和K2是互補模擬開關對。K1由函數(shù)K(t)控制：

其中，TS是時鐘周期，開關頻率fS為1/TS（fS=1/Ts）。

圖1　單周期控制方法示意圖

如圖2所示，在每個周期中，開關打開的持續(xù)時間為ton，開關關閉的持續(xù)時間為toff，而TS=ton+toff。占空比（d=ton/TS）由一個模擬控制參考電壓Vref來調節(jié)。該電壓從偶遇電阻器的電壓獲得，該電阻器與直流環(huán)節(jié)線路串聯(lián)。在每個開關周期中，送出時鐘脈沖信號，從而使K1處于導通狀態(tài)，K2處于非導通狀態(tài)，并且積分器開始為信號xo(t)工作。而Vint的積分達到Vref：

比較器輸出翻轉通過控制器使K1處于非導通狀態(tài)，K2處于導通狀態(tài)，并且立刻重置了積分器。由于開關頻率是恒定的，x(t)等于xo(t)的平均值：

其中，K等于RC/TS。在開關輸入節(jié)點的輸入信號xo(t)經過斬波處理并形成開關變量x1(t)輸出。開關變量x1(t)的頻率和脈寬等于開關函數(shù)k(t)。由于開關周期是恒定的，輸出電壓的平均值正好等于每個周期中的參考信號。因此，開關變量的平均值在一個周期內是瞬時控制的。對于恒定的開關周期TS，系數(shù)（K=1/kTS）也是恒定的。采用所提出的方法并通過開關變量的平均值實現(xiàn)線性控制，對于每個開關周期，開關變量的平均值與參考信號相等或成比例。

圖2　單周控制脈沖

2　提出的BLDC驅動電流控制系統(tǒng)

使用單周控制方法的無刷直流電機控制的示意圖示于圖3。該控制系統(tǒng)由控制單元（數(shù)字單周控制控制器和門信號發(fā)生器）、金屬氧化物半導體場效應晶體管、反電勢檢測電路和電池組成［10］。在該無位置傳感器控制方案中，通過反電勢電壓的過零檢測來識別換相瞬間，并且利用開環(huán)方法來啟動電機。

圖4示出了無刷直流電機的啟動順序，該電機包括3種序列。在對齊序列中，給兩個開關T4和T5通足夠時間的電，電機將移動到觀測的位置，并且電流進入相位C和B。隨后，轉子保持在一個已知的位置，坡道序列以正確的方向和合適的電流和頻率以驅動步進電機的方式驅動無刷直流電機。在開環(huán)加速期間禁止使用反電勢過零比較器直到達到低閾值速度。經過一定數(shù)量的過零點檢測，無位置傳感器控制系統(tǒng)應用在運行序列。

圖3　所提出的基于單周控制方法的無刷直流電機驅動控制系統(tǒng)示意圖

圖4　無位置傳感器控制的無刷直流電機控制系統(tǒng)的開環(huán)啟動序列

2.1改進的反電勢檢測方法

圖5示出了無刷直流電機的反電勢波形，該電機只有兩相是導電的。反電勢過零可以通過對反電勢信號與VDC/2進行比較來估算［11］。延遲30°的反電勢過零是真正的換相點。

圖5　反電勢電壓器操作示意圖

由于高頻PWM脈沖的作用，反電勢信號是嘈雜的，可能會導致不需要的過零點檢測和位置估算誤差，而這些不需要的過零點檢測和位置估算誤差會造成一些換相脈動甚至故障。因此，應通過軟件中足夠的信號調理或過濾來避免噪聲，并覆蓋過零點中斷，這些中斷會在換相后發(fā)生。

如圖6所示，通過在換相后屏蔽15°時的中斷（禁止閱讀過零點中斷），采納了該技術和微控制器的定時器1。屏蔽的中斷鎖定由反電勢電壓的噪聲引起的不需要的中斷。該技術的另一個優(yōu)點在于當過零點中斷錯過時能夠自動進行過零點校正。當過零點中斷錯過時，定時器繼續(xù)計數(shù)到60°，然后換相立即變化。否則，換相后，定時器計數(shù)到30°并等待過零點中斷，在這之后，換相發(fā)生改變。定時器的值是從兩個真正的檢測到的過零中斷之間的間隔時間計算出的。

圖6　改進的反電勢過零點檢測的主控制流程圖

3　模擬仿真結果

本文進行了一些模擬結果以評價所提出的單周控制方法并將其與滯環(huán)電流控制方法進行比較。模擬和實驗工作均采用了直流環(huán)節(jié)電流控制。表1給出了所采用的無刷直流電機的參數(shù)。在20%滿負荷下，當速度為120 rad/min時，研究人員對滯環(huán)和單周控制電流控制器的轉矩進行了比較，如圖7所示。單周控制方法產生的轉矩脈動遠遠小于滯環(huán)控制方法產生的轉矩脈動。單周控制方法的開關頻率設置為16.2 kHz，等于滯環(huán)控制器的最大開關頻率。圖8示出了速度為120 rad/min時的相電流波形。ea，eb和ec電壓的過零檢測器產生3個位置信號，且在延遲30°后用于識別換相瞬間。換相時的電壓尖峰是這些方法中換相誤差的主要來源，其導致過零周圍電壓函數(shù)的快速轉換。

表1　無刷直流電機參數(shù)

圖7　控制方法比較

圖8　單周控制方法下，速度為120 rad/min時的相電流信號和虛擬霍爾傳感器信號的波形

4　實際測試結果

圖9顯示了實驗工作的硬件實現(xiàn)。.

圖9　無位置傳感器控制的無刷直流電機電流控制系統(tǒng)

整個系統(tǒng)通過一個小型廉價的自動電壓調整微控制器（Atmega8）進行控制［12］?？刂泼钣蒊R2104柵極驅動器放大。相電流通過Rsens電阻（0.22 W-5 W）測定，該電阻與直流環(huán)節(jié)線路串聯(lián)。逆變器的開關選用金屬氧化物半導體場效應晶體管IRF3205，主要參數(shù)為VDSS=55 V，ID=110 A，RDS（ON）＜8 mW。在本研究中，電阻分壓器用來測量電壓，無位置傳感器方法需要電壓。通過硬件電路進行過零檢測并生成虛擬位置信號。采用的無刷直流電機的額定功率為375 W。對于單周控制方法，微控制器中產生的脈沖的頻率設定為16.2 kHz。如前所述，開環(huán)啟動算法用來啟動電機。強制對齊序列需要時間約為100 ms。圖10分別顯示了單周控制方法和滯環(huán)控制器在20%滿負荷下當速度為120 rad/min時的電流波形。當采用無位置傳感器控制時，單周控制方法中的脈動電流小于滯環(huán)方法中的脈動電流。

圖11顯示了對其中一個開關的柵極所施加的脈沖和估計霍爾傳感器信號，結果表明單周控制方法可實現(xiàn)恒定頻率（T1=T2）。為了驗證單周控制方法的性能更好，研究人員采用振動傳感器（壓電）來測量噪聲。壓電晶體直接將機械應力轉換成電荷。壓電聲波傳感器施加振蕩電場以產生機械波，該機械波通過基體傳播，然后轉換成電場。

圖10　

圖11　速度為120 rad/min時的柵極脈沖和估計霍爾傳感器信

圖12顯示了滯環(huán)電流控制方法和單周控制方法在速度為120 rad/min時的噪聲和快速激烈變換波形。滯環(huán)電流控制方法中諧波的幅值高于單周控制方法中諧波的幅值。

圖12　速度為120 rad/min時的柵極脈沖和估計霍爾傳感器信

5　結論

本研究提出了一種低成本的基于單周控制的PWM電流控制系統(tǒng)?；趩沃芸刂品椒ǖ慕y(tǒng)一控制器和PWM調制器已經取代滯環(huán)電流控制。單周控制方法利用傳統(tǒng)電流控制器的簡易性優(yōu)勢以及比例積分控制器的優(yōu)勢，用來調節(jié)直流環(huán)節(jié)的電流。此外，還為所采用的單周控制方法開發(fā)了一種改進的基于反電勢電壓過零點檢測的無位置傳感器控制方法。

提出的基于單周控制的無位置傳感器無刷直流電機電流控制系統(tǒng)與其他技術相比，單周電流控制以及改進的簡單的無位置傳感器控制方法需要較低的計算量，因此可以采用低成本微控制器。并且由于控制在單周內進行，所開發(fā)的電流控制器的動態(tài)響應類似于滯環(huán)控制器的動態(tài)響應，比傳統(tǒng)的比例積分控制器的動態(tài)響應更快。通過單周控制方法的恒定頻率和較低的開關頻率來實現(xiàn)了低轉矩脈動和噪聲。

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明鑫（1983-），男，漢族，廣西南寧人，碩士，講師，主要研究方向為自動控制技術，ming_xin55@126.com。

Laser Ultrasonic Displacement Detection Technology Based on Heterodyne Interference*

SI Gaolu1*，ZHANG Zhiwei1，2，3

（1.College of Information and Communication Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Science and Technology on Electronic Test & Measurement Laboratory，North University of China，Taiyuan 030051，China；3.Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China）

Abstract:Laser ultrasonic vibration displacement is in the nanometer level. In order to detect weak signal of laser ultrasonic，heterodyne interferometer system requires higher sensitivity. In order to improve the measurement preci?sion，the optical path has been improved. The double light path heterodyne interferometer enhances anti-interfer?ence capability of system，the lens are used to enhance the light gathering power of the interferometer，Increasing the flux of interferometer，so it can improve the precision of measurement. The filter is installed in front of photoelec?tric detector，filter thestray light and improve the system signal-to-noise ratio. By high-frequency ultrasonic experi?mental verification，the displacement resolution of the system can reach 0.1 nm.

Key words:Nanometer displacement；Heterodyne interferometer；Laser ultrasound；Focusing

doi：EEACC：7820；436010.3969/j.issn.1005-9490.2016.01.025

收稿日期：項目來源：2013年度廣西高?？茖W技術研究項目（2013YB296）2015-04-06修改日期：2015-05-05

中圖分類號：TM571.65；TP332

文獻標識碼：A

文章編號：1005-9490(2016)01-0118-06