摘 要：分析了兩種PWM調(diào)制模式下斷開相繞組的端電壓波形，說明各種能忽略開關(guān)噪聲、直接獲得反電勢過零點的端電壓法的特點。提出了一種低成本的無刷直流電動機(jī)無位置傳感器控制方案，利用xc866單片機(jī)內(nèi)嵌的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，在PwM開通時刻測量斷開相繞組端電壓，獲得反電勢過零點，降低了成本，簡化了外圍電路。實驗結(jié)果驗證了理論分析的正確性和方案的可靠性。
關(guān)鍵詞：無刷直流電動機(jī)；PwM調(diào)制；無位置傳感器；反電勢過零點檢測
0 引 言
具有梯形波反電勢的無刷直流電機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、功率密度高、輸出轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點得到了越來越廣泛的研究和應(yīng)用。傳統(tǒng)的無刷直流電機(jī)需要一套位置傳感器來獲得轉(zhuǎn)子位置，信息控制逆變器換相，保持電流與反電動勢同步，使之在單位電流內(nèi)能輸出****的轉(zhuǎn)矩。為了降低成本和消除位置傳感器對系統(tǒng)可靠性的影響，無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制技術(shù)成為近二十年來的一個研究熱點。本文首先對不同PwM調(diào)制模式下，PwM開通和關(guān)斷不同時刻無刷直流電機(jī)的電路狀態(tài)進(jìn)行分析，得到斷開相繞組端電壓受到的PwM調(diào)制的具體影響，并用實驗結(jié)果進(jìn)行了驗證，從而總結(jié)出了能夠忽略開關(guān)噪聲，直接利用斷開相繞組端電壓直接獲得反電勢過零點檢測方法的原理。在此基礎(chǔ)上說明上述傳統(tǒng)端電壓法改進(jìn)策略各自的特點。本文還提出了一種低成本的無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制方案，利用英飛凌科技公司的xc866單片機(jī)內(nèi)嵌的數(shù)模轉(zhuǎn)換單元，在PwM開通時刻對斷開相繞組端電壓進(jìn)行采樣，得以忽略開關(guān)噪聲，然后用軟件實現(xiàn)反電勢過零點的判斷，得到轉(zhuǎn)子位置信息，使得對外圍電路的需求降到了****(不需要濾波器，比較器)，降低了系統(tǒng)成本。最后對實驗結(jié)果進(jìn)行研究證明了本文所提無刷直流電機(jī)無位置傳感器系統(tǒng)方案的有效性。
1 不同PwM調(diào)制模式下的端電壓法
無刷直流電機(jī)的驅(qū)動電路一般采用三相逆變橋作為主電路，逆變器采用六拍換相控制方式。
根據(jù)功率器件在導(dǎo)通期問內(nèi)調(diào)制方式的不同有多種PWM調(diào)制模式。本節(jié)對其中的Hpwm—kn(在上管導(dǎo)通期間PWM調(diào)制，下管導(dǎo)通期間恒導(dǎo)通)和Hpwm_Lpwm(在上下管導(dǎo)通期間同時進(jìn)行PwM調(diào)制)調(diào)制模式下的斷開相繞組的端電壓波形進(jìn)行分析，從而說明幾種不同端電壓法的特點。無刷直流電機(jī)3相電壓平衡方程式為：
式中，R為繞組內(nèi)電阻；ua，ub，uc為端電壓；ia，ib，ic分別為三相相電流；Ea，Eb，Ec分別為無刷直流電機(jī)A，B，c三相繞組的反電動勢，Vn為電機(jī)中心點電壓。
1. 1 Hpwm—Lon調(diào)制模式
假設(shè)無刷直流電機(jī)的反電勢波形為理想的梯形波，忽略電樞反應(yīng)的影響，忽略二極管和開關(guān)管的導(dǎo)通壓降，在PwM開通和關(guān)斷情況下，有如下兩種工作狀態(tài)：
(1)當(dāng)VTl、VT3同時導(dǎo)通時(圖2a)，即PWM開通時刻：
結(jié)論和圖2清楚地表明了斷開相繞組的端電壓幅值受PWM調(diào)制的具體影響。為了消除PWM斬調(diào)制帶來的影響，傳統(tǒng)的端電壓法通過對端電壓信號進(jìn)行濾波，來消除高頻開關(guān)噪聲。這種方法的缺點就是濾波器的使用會帶來與轉(zhuǎn)速相關(guān)的相位延時，從而需要進(jìn)行相位補(bǔ)償，這樣使控制系統(tǒng)趨于復(fù)雜。同時也可以得出如果能在PwM開通和關(guān)斷時刻分別取得斷開相繞組的端電壓，就能直接獲得反電勢的過零點。
在：PWM開通時刻檢測，用檢測到的端電壓幅值與Udc／2進(jìn)行比較，或者在PwM關(guān)斷時刻進(jìn)行檢測，用檢測到的端電壓與地電位進(jìn)行比較。文獻(xiàn)[1]中的續(xù)流二極管法正是利用后者PWM關(guān)斷時刻反電勢過零所引起的續(xù)流二極管導(dǎo)通現(xiàn)象來間接獲得反電勢過零點，實現(xiàn)了45 r／112113．至2 300 r／lnlr【的調(diào)速范圍。但由于需要采用pwm—on調(diào)制模式(開關(guān)管在120°的導(dǎo)通期間，前60°調(diào)制后60°開通的方式工作)，這樣會使控制更加困難，而且還需要6路 獨立電源給硬件檢測電路供電，以及續(xù)流二極管自身的壓降導(dǎo)致過零點的偏移。由于存在這些缺陷，限制了它的應(yīng)用。文獻(xiàn)[2—4]采用在PWM關(guān)斷時刻對斷開相繞組端電壓進(jìn)行檢測的方法，利用D觸發(fā)器鎖存PWM關(guān)斷時刻的斷開相繞組端電壓與地電位的比較結(jié)果，直接獲得反電勢過零點，實現(xiàn)了50 r／min至2 500 r／min的調(diào)速范圍，但由于PwM占空比很高的時候PWM關(guān)斷時間已經(jīng)很短，難以獲得準(zhǔn)確的端電壓信息，這使得PWM的占空比不能達(dá)到100％。文獻(xiàn)[5-6]經(jīng)過改進(jìn)，在高占空比下用udc／2作為參考電壓，同時使用兩種參考電位使PWM占空比可達(dá)到100％。
1．2 Hpw一一Lpwm調(diào)制模式
當(dāng)采用H[pwrn_Lpwrc。調(diào)制模式時，在PWM開通時刻，電路工作狀態(tài)與上述Hpwm—LOn調(diào)制模式時相同，在PWM關(guān)斷時刻(等效電路如圖3)有：
從圖4可以看出在Hpwm—Lpwm調(diào)制模式下，斷開相繞組的端電壓不會隨著PWM調(diào)制產(chǎn)生波動，始終為udc／2+Ec。雖然這種PWM調(diào)制模式開關(guān)損耗較大，但給反電勢過零點的檢測帶來了方便。因為斷開相繞組的端電壓不受PWM調(diào)制噪聲的影響，也就不需要濾波，將斷開相繞組的端電壓與參考電位udc／2進(jìn)行比較，直接獲得反電勢過零點，文獻(xiàn)[7]正是利用這一原理，可達(dá)43至1 020 r／min的調(diào)速范圍。
2反電勢過零點檢測方案
本文所采用的反電勢檢測方法的主要特點是通過內(nèi)嵌模數(shù)轉(zhuǎn)換單元xc866單片機(jī)在。PWM開通時刻對斷開相繞組的端電壓進(jìn)行檢測。具體檢測方法如圖5所示。圖中u表示采樣到的電壓值，T1表示從換相到采樣到電壓u1的時間間隔。隨著反電勢的降低，不斷將采樣得到的電壓u1與電源電壓的一半進(jìn)行比較，如果U1>udc／2，則繼續(xù)采樣比較。當(dāng)U1＜udc／2時的瞬間，記下時間T2則T2換相到反電勢過零的30°電角度的時間。反電勢逐步增加的情況與之類似，只不過u1從小于Udc2變?yōu)榇笥赨dc／2，然后與上一次的60°電角度時間進(jìn)行平均，得出的新60°電角度時間作為換向周期。
與傳統(tǒng)的反電勢過零點檢測方案相比，本文所提出的方案的優(yōu)點主要有：
(1)因為只在PwM開通時刻對端電壓進(jìn)行檢測，不像傳統(tǒng)的端電壓法需要低通濾波器，所以檢測到的反電勢過零點沒有與速度相關(guān)的相位延時，也就不需要對相位延時進(jìn)行補(bǔ)償。
(2)因為反電勢信息經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，在單片機(jī)里進(jìn)行處理，所以不需要利用硬件比較器來檢測反電勢信號，簡化了電路。
3控制方案
在xC866上的實現(xiàn)由于本控制系統(tǒng)以xC866單片機(jī)為核心。
xC866是英飛凌科技公司高性能8位微控制器xc800系列產(chǎn)品之一。它基于的xc800內(nèi)核并與標(biāo)準(zhǔn)8051處理器兼容，專門用于低端的電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用。xc866集成了很多集成片內(nèi)器件。要實現(xiàn)上述反電勢過零點檢測方法，主要借助于電機(jī)控制專用模式捕獲／比較單元(Ccu6)和功能擴(kuò)展的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換單元(ADC：)以及它們之間的協(xié)作：
(1)通過設(shè)置，可以使產(chǎn)生PWM信號的比較捕獲單元的定時器T1 3的周期中斷觸發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，這樣由于驅(qū)動電路(如IR2130)造成控制輸出的延時，使得剛好能捕捉到PwM開通時刻的端電壓信息。
(2)模數(shù)轉(zhuǎn)換單元內(nèi)部具有極限邊界檢查單元，能夠?qū)⑥D(zhuǎn)換結(jié)果和兩個設(shè)定的邊界值(BOIJNDO和BO[INDl)相比較，產(chǎn)生通道中斷。
也就是說，可以在模數(shù)轉(zhuǎn)換單元里設(shè)定一個范圍，只有當(dāng)數(shù)據(jù)符合這個范圍的時候才發(fā)出中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)程序進(jìn)行處理，這就保證了系統(tǒng)資源只有少部分消耗在反電勢過零點檢測當(dāng)中。
系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖6所示。cc60—cC62、cOuTO—C0uT62為xC866的6路驅(qū)動信號輸出，ANO、ANl、AN2都是數(shù)模轉(zhuǎn)換單元的L／O口，分別用來采樣經(jīng)過分壓的端電壓，電容C為采樣保持電容。從電路的結(jié)構(gòu)圖可以看出，系統(tǒng)只使用了簡單的外圍電路，主要功能都依靠軟件實現(xiàn)。
4實驗結(jié)果
在實驗室搭建的樣機(jī)上對本文所提出的方案進(jìn)行了檢驗，樣機(jī)為36 V，額定轉(zhuǎn)速360 r／min、額定功率為220 w的輪轂式無刷直流電機(jī)。圖7分別為電機(jī)在90 r／min和額定轉(zhuǎn)速下的實驗結(jié)果。
圖中依次從上往下為：通道l為端電壓波形，通道2為虛構(gòu)霍爾傳感器信號波形(根據(jù)文中所提反電勢過零點檢測方案得到的換相信息經(jīng)過軟件處理，在單片機(jī)一個引腳上進(jìn)行電平翻轉(zhuǎn)得到的信號)，通道3為實際霍爾傳感器信號波形。在90 r／111111位置信息的誤差范圍在1。至2。電角度以內(nèi)，電機(jī)在90 r／min至額定轉(zhuǎn)速調(diào)速范圍之內(nèi)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。
本文首先對不同PWM調(diào)制模式下，PWM開通和關(guān)斷不同時刻無刷直流電機(jī)的電路狀態(tài)進(jìn)行分析，得到斷開相繞組端電壓受到的PwM調(diào)制的具體影響，并用實驗結(jié)果進(jìn)行驗證，從而總結(jié)出了能夠忽略開關(guān)噪聲、直接利用斷開相繞組端電壓直接獲得反電勢過零點檢測方法的理論依據(jù)，然后提出了一種低成本的無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制系方案；借助xc866的優(yōu)良性能，用軟件實現(xiàn)了反電勢過零點的判斷并控制電機(jī)運(yùn)行。
該方案不需要濾波器及比較器，因而也不需要對濾波器造成的相位進(jìn)行補(bǔ)償，并使外圍的硬件電路得到****簡化，具有較好的實用價值。
圖中至上而下依次為：端電壓波形，虛構(gòu)霍爾信號波形，實際霍爾信號波形。
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