直流無刷電機(jī)的換相過零檢測(cè)*

徐 丹，李慶東，蔣 猛，李 博，孔維蓉，徐 波

(西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715)

0 引言

永磁直流無刷電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用到工業(yè)、民用等領(lǐng)域。在直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)中，確定轉(zhuǎn)子的位置從而確定換相時(shí)刻是控制的關(guān)鍵，以此決定每一時(shí)刻相繞組的通電狀態(tài)。但是，安裝位置傳感器增加了系統(tǒng)成本，使整個(gè)系統(tǒng)更復(fù)雜且抗干擾能力變差。所以，采用無位置傳感器的控制技術(shù)已成為直流無刷電機(jī)控制技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向。目前，對(duì)無位置傳感器直流無刷電機(jī)的研究主要有反電動(dòng)勢(shì)過零檢測(cè)法、續(xù)流二極管導(dǎo)通檢測(cè)法、磁鏈法等方法。其中，通過測(cè)量斷開相繞組端電壓和電機(jī)中性點(diǎn)電壓之間的關(guān)系，間接獲得反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)的檢測(cè)應(yīng)用最廣泛。該方法是一種直接有效的可獲得準(zhǔn)確換相時(shí)刻的方法。以上方法為過零檢測(cè)提供了理論基礎(chǔ)，而在實(shí)際應(yīng)用中，利用軟件準(zhǔn)確判斷和識(shí)別過零信號(hào)是保障直流無刷電機(jī)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。目前，對(duì)于過零信號(hào)檢測(cè)軟件識(shí)別方法的研究和分析，可提供參考的文獻(xiàn)較少。本文深入分析和研究一種應(yīng)用反電動(dòng)勢(shì)過零檢測(cè)法，基于運(yùn)算放大器并配合軟件獲得換相時(shí)刻的電路，其優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可通過兩種軟件識(shí)別方法準(zhǔn)確檢測(cè)出過零時(shí)刻，給控制器提供準(zhǔn)確的換相信息，提高了直流無刷電機(jī)的穩(wěn)定性。

1 直流無刷電機(jī)原理

對(duì)于三相繞組的直流無刷電機(jī)來說，要讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來，一般采用6個(gè)狀態(tài)方式導(dǎo)通。電路驅(qū)動(dòng)圖如圖1所示。使電流按照一定的順序流經(jīng)電機(jī)三相繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子的永磁鐵相互作用，使電機(jī)按照一定方向循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一個(gè)周期具有6個(gè)狀態(tài)，需要檢測(cè)轉(zhuǎn)子的6個(gè)特殊位置進(jìn)而進(jìn)行6次換相。為了使直流無刷電機(jī)在單位電流內(nèi)輸出的有效轉(zhuǎn)矩最大，每次換相都為一個(gè)確定的時(shí)刻，即繞組斷電后反電動(dòng)勢(shì)為零時(shí)刻延后30°電角度的時(shí)刻。

圖1 直流無刷電機(jī)電路驅(qū)動(dòng)圖

圖1 中，VD1～VD6為6個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管，電機(jī)采用星形連接方式。根據(jù)6個(gè)確定的換相時(shí)刻，控制器不斷開閉相應(yīng)的功率管，使電機(jī)連續(xù)依同一個(gè)方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。電路下方的3個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管分別用PWM控制，以此達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等的要求。

2 反電動(dòng)勢(shì)過零檢測(cè)原理及方法

圖1中，設(shè)場(chǎng)效應(yīng)管VT3和VT2同時(shí)導(dǎo)通，其他4個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)直流無刷電機(jī)的三相繞組中，B相接+UCC，C相接地，A相處于斷電狀態(tài)，該狀態(tài)的等效電路如圖2所示。此時(shí)，N點(diǎn)為BC兩相繞組的電壓中點(diǎn)。隨著永磁轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)通過A相繞組的磁通Φ會(huì)隨之改變，使得該狀態(tài)中A相的反電動(dòng)勢(shì)會(huì)正負(fù)交變，其中只存在一個(gè)時(shí)刻A相中反電動(dòng)勢(shì)為零，即為所要檢測(cè)的反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)，如圖3所示。

圖2中，反電動(dòng)勢(shì)和各點(diǎn)的電位計(jì)算值分別如式(1)～式(3)所示。當(dāng)Ea正負(fù)交變時(shí)，A點(diǎn)電位UA會(huì)在上下發(fā)生變化，當(dāng)反電動(dòng)勢(shì)Ea過零時(shí)則UA=UN，如式(4)所示。因此，若運(yùn)用一個(gè)比較電路來比較UA和UN的大小，即可準(zhǔn)確找出過零點(diǎn)。當(dāng)檢測(cè)出反電動(dòng)勢(shì)的過零時(shí)刻后再延后30°電角度即為控制器運(yùn)行需要確定的換相時(shí)刻。

圖2 BC相通電時(shí)刻的等效電路

圖3 反電動(dòng)勢(shì)過零時(shí)刻

式中:n——電樞轉(zhuǎn)速;

KE——與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù);

φ——磁極的磁通。

本文提出的基于運(yùn)放的反電動(dòng)勢(shì)過零檢測(cè)電路如圖4所示。ABC為電機(jī)三相繞組的首端。圖中比較器的原理:當(dāng)同相輸入端電壓高于反相輸入端的電壓時(shí)，電壓比較器輸出的信號(hào)為高電平;當(dāng)同相輸入端電壓低于反相輸入端電壓時(shí)，電壓比較器輸出信號(hào)為低電平。檢測(cè)A相過零的等效電路如圖5所示。結(jié)合圖2可知，圖5中運(yùn)放的同相輸入端構(gòu)造出BC兩相的電壓中點(diǎn)，與反相端輸入的A相電壓進(jìn)行比較，在過零這一特殊時(shí)刻，取 R6、R7、R9三個(gè)阻值相等，再通過已知的BC兩相電動(dòng)勢(shì)用節(jié)點(diǎn)電壓法可計(jì)算出5個(gè)電阻的關(guān)系，如式(5)～式(7)所示(僅適用于過零時(shí)刻)。

為了滿足運(yùn)放對(duì)共模信號(hào)的要求，同相端和反向端的輸入電壓為比較器電源電壓的一半。

圖4 反電動(dòng)勢(shì)過零檢測(cè)電路

圖5 檢測(cè)A相過零的等效電路

3 試驗(yàn)分析

本文提出的永磁直流無刷電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)過零檢測(cè)電路主要以單片機(jī)PIC18F23K20和芯片IRS2136全橋方式控制PWM構(gòu)成的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)。試驗(yàn)中采用一臺(tái)9對(duì)磁極的直流無刷電機(jī)，運(yùn)放采用芯片TLC2254，試驗(yàn)中以A相繞組反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)的檢測(cè)為例。

實(shí)測(cè)的ABC三相與A相過零信號(hào)輸出圖如圖6所示。從圖6中可以看到，控制器運(yùn)行的多個(gè)周期內(nèi)，A相運(yùn)放的輸出信號(hào)有多個(gè)相應(yīng)的反電動(dòng)勢(shì)過零時(shí)刻，運(yùn)放輸出信號(hào)可準(zhǔn)確變換高低電平，發(fā)出過零時(shí)刻的信號(hào)。圖7為圖6其中一個(gè)過零時(shí)刻的細(xì)節(jié)圖，該圖中清楚顯示了A相運(yùn)放輸出信號(hào)在過零時(shí)刻的前端有多個(gè)不規(guī)整的三角脈沖，且脈沖的上升沿和下降沿都有延遲。圖8為理想與實(shí)際A相運(yùn)放輸出信號(hào)對(duì)比圖，該圖中三角脈沖的產(chǎn)生是由于阻容耦合及運(yùn)放本身所導(dǎo)致的輸出信號(hào)延遲。

圖6 ABC三相與A相過零信號(hào)輸出圖

圖7 信號(hào)細(xì)節(jié)圖

圖8 理想與實(shí)際運(yùn)放輸出信號(hào)對(duì)比圖

由輸出信號(hào)分析可知，軟件判斷過零時(shí)刻不能直接使用中斷方式和查詢方式檢測(cè)，輸出信號(hào)在過零時(shí)刻高低電平轉(zhuǎn)換之前存在很多不規(guī)整三角脈沖。這些干擾信號(hào)會(huì)導(dǎo)致控制器接收錯(cuò)誤的過零時(shí)刻信號(hào)，致使其發(fā)出錯(cuò)誤的換相信息。因此，控制器采用中斷方式檢測(cè)過零點(diǎn)時(shí)，必須在過零檢測(cè)電路后增加一個(gè)比較電路，如圖9所示。圖9中，二級(jí)比較器的反相端采用兩個(gè)電阻分壓，反相端參考電壓為Uf。當(dāng)一級(jí)比較器輸出信號(hào)電壓低于參考電壓Uf時(shí)，二級(jí)運(yùn)放輸出信號(hào)電平維持前一狀態(tài)，直到輸出信號(hào)電壓高于Uf時(shí)，即為輸出信號(hào)過零的高低電平轉(zhuǎn)換時(shí)刻。

圖9 中斷方式下標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)電路圖

以此二級(jí)運(yùn)放可以濾掉不規(guī)整的三角脈沖，形成標(biāo)準(zhǔn)的矩形脈沖過零信號(hào);如果CPU采用查詢方式檢測(cè)過零點(diǎn)，使用原始電路圖5即可，但要選擇在PWM周期中低電平期間查詢過零信號(hào)，這樣可以避開檢測(cè)信號(hào)中不規(guī)整的三角脈沖，同時(shí)由于阻容耦合和運(yùn)放帶來的信號(hào)延遲，查詢要在PWM低電平初始進(jìn)行小段延時(shí)后進(jìn)行查詢，當(dāng)查詢到輸出信號(hào)高低電平發(fā)生轉(zhuǎn)換的瞬間，即為所要檢測(cè)的A相過零時(shí)刻。相比中斷方式，查詢方式電路的整體結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但是不斷查詢會(huì)占用CPU大量的時(shí)間。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)提出的反電動(dòng)勢(shì)過零檢測(cè)電路的各部分信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與深入分析，進(jìn)一步提出了配合該電路的軟件識(shí)別過零信號(hào)的方法。當(dāng)控制器采用中斷方式檢測(cè)過零點(diǎn)，則必須在過零檢測(cè)電路后增加一個(gè)比較電路，過濾不規(guī)整的三角脈沖，以形成標(biāo)準(zhǔn)的矩形脈沖;如果CPU采用查詢方式檢測(cè)過零點(diǎn)，則應(yīng)在PWM的低電平期間進(jìn)行查詢，并在低電平初始階段有小段延時(shí)，否則會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的結(jié)果。試驗(yàn)論證了通過以上兩種軟件控制方式可準(zhǔn)確獲得永磁直流無刷電機(jī)過零時(shí)刻的信號(hào)，論證了本文提出的電路具有可行性。

[1]譚建成.永磁無刷直流電機(jī)技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[2]朱俊杰，粟梅，陳程，等.無刷直流電機(jī)反電勢(shì)過零檢測(cè)新方法[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2013，34(2):441-447.

[3]張磊，瞿文龍，陸海峰，等.一種新穎的無刷直流電機(jī)位置傳感器新方法[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，21(10):26-30.

[4]秦曾煌.電工學(xué)上冊(cè)——電工技術(shù)[M].北京:高等教育出版社，2009.

[5]朱樂樂，王宜懷，胡玉鑫，等.基于DSC的無刷直流電動(dòng)機(jī)過零檢測(cè)方法[J].微特電機(jī)，2013，41(1):24-27.

[6]譚建成.無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制關(guān)鍵技術(shù)研究[D].武漢:華中科技大學(xué)，2010.

[7]SHAO J，NOLAN D，HOPKINS T.A novel direct back EMF detection forsensorless brushless DC(BLDC)motor drives[C]∥Applied Power Electronic Con-ference(APEC)，2002:33-38.