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薛曉明，樓樺
（常州信息技術學院）
摘要：為了實現PWM-ON-PWM調制方式控制的無位置傳感器無刷直流電機轉子位置信號的檢測，在分析了該種調制方式控制的功率逆變器為橋式結構無刷直流電機端電壓的基礎上，提出一種通過檢測線電壓差的過零點，移相30 度電角度獲得換相信號的方法，并以此得到了相應的檢測電路。通過應用該檢測電路搭建無刷直流電機控制系統(tǒng)的仿真和實驗結果表明：提出的方法在寬速度范圍內，特別是低速時都能準確地檢測到轉子的位置，從而驗證了該方法的有效性。
關鍵詞：無刷直流電機；換相信號；PWM-ON—PWM調制；反電勢過零點；檢測
中國分類號：TM36 +1 文獻標志碼：A 文章編號：1001-6848(2010)07-0088-04
O引 言
到目前為止，對于功率逆變器為橋式結構的無刷直流電機而言，無刷直流電機實現調速的PWM調制方式主要有半橋調制、全橋調制和PWM-ON-PWM調制三種。半橋調制控制簡單，但存在斷開相導通產生負向轉矩的現象。全橋調制盡管斷開相不會產生續(xù)流現象，但開關管的開關次數遠遠高于半橋調制開關管的開關次數，損耗較大。PWM-ON-PWM調制又稱為30度調制，是近年來提出的無刷直流電機的****PWM調制方式，它能同時解決半橋調制斷開相導通的問題與全橋調制開關損耗大的問題[4-5]。
無論采用何種調制方式，無刷直流電機的運行都必須依靠正確的換相信號控制繞組的電流與反電勢保持同步。傳統(tǒng)獲取換相信號的方法是采用位置傳感器直接測量，但位置傳感器增大了電機體積及生產工藝難度，不能適應高溫、高濕、污濁空氣等惡劣的工作環(huán)境。因此，無刷直流電機的無位置傳感器控制成了研究的熱點，目前研究****泛的是通過檢測繞組反電勢過零點，延遲30度電角度得到換相信號，但由于繞組反電勢無法直接檢測，國內外許多學者提出了許多通過端電壓直接或間接檢測反電勢過零點的方法[6-10]。本文在分析PWM-ON-PWM調制方式一個換相區(qū)間端電壓的基礎上，提出一種通過檢測線電壓差的過零點來檢測PWM-ON-PWM調制方式控制的無刷直流電機換相信號的方法，仿真波形和實驗結果表明：該方法可以在很寬的速度范圍內特別是較低速度下能準確檢測到反電勢過零點。
1線電壓差過零點檢測原理
具有理想梯形波反電勢、方波電樞電流、三相繞組星形連接的無刷直流電機等效主電路如圖1所示，圖中Sl、S3、s5為半橋逆變器的上管，S2、S4、S6為半橋逆變器的下管。
三相繞組反電勢、電樞電流和逆變器六個開關管PWM-ON-PWM調制方式的驅動信號波形如圖2所示。
從圖2中可以看出，每個60度換相區(qū)間，前30度和后30度逆變器的開關管處于上管PWM、下管恒通或上管恒通、下管PWM兩種狀態(tài)。下面以O~60度換相區(qū)間進行分析，在此區(qū)間內，A相和B相繞組通電，C相繞組斷開。為了分析的方便，假設：每一個開關管的導通壓降相等，記為VT；每一個續(xù)流二極管的正向壓降相等，記為Vd。
(1)0度—30度，上管PWM、下管恒通
當Sl導通、S4導通時，等效電路如圖3(a)所示，有
由此可得
由式(4)~式(6)得
當Sl關斷、S4導通時，等效電路如圖3(b)所示，有
由(10)，(11),(12)得：
由(13)，(14)，(15)得：
(2)30度—60度，上管恒通、下管PWM
當S1導通，s4關閉時，等效電路圖如3（c）所示，有：
由(19),(20),(21)得：
由(22),(23),(24)得：
從以上分析可以發(fā)現，在O~ 60度換相區(qū)間內，無論上管和下管處于PWM調制或恒通狀態(tài)，線電壓差Vhcca始終等于C相反電勢ec的2倍，此時A微電機相和B相導通、C相斷開，而且表達式中不含開關管導通壓降、續(xù)流二極管壓降和PWM開關調制波。由此類推，當B相和C相導通、A相斷開階段，線電壓差始終等于A相反電勢ec的2倍；當A相和c相導通、B相斷開階段，線電壓差始終等于B相反電勢ec的2倍。圖4給出了利用Matlab7. 0仿真的線電壓差和反電勢波形，從圖中可以看出，在該相導通階段，相應線電壓差包含大量的PWM調制波，而在該相斷開階段，相應的線電壓差則是與該相反電勢斜率相反的平滑直線，且反電勢ea、eb、ec的過零點分別和線電壓差Vcaab、Vabbc、Vbcca的過零點完全吻合。因此，通過檢測線電壓差的過零點，延時30度電角度就可以得到該相繞組的換相信號，而且由于線電壓差是一個放大的反電勢，從而可以在更低的速度下檢測到反電勢過零點。
根據以上原理設計的線電壓差過零點檢測電路如圖5所示，其工作過程為：三相端電壓Va、Vb、Vc經過電阻分壓后送到兩級運放進行運算，得到三路線電壓差。從圖5可似發(fā)現由于線電壓差只有在該相不導通之間波形是平滑的，而在導通之間含有許多PWM調制波，因此比較器只能在該相不導通期間工作，否則會產生許多假的過零點，本文使用模擬開關CD4051對三相檢測電路進行選擇，即每60度內只將斷開相繞組過零點檢測電路的輸出送到后級觸發(fā)器74LS74中，CD4051的相選擇信號Ps由控制芯片DSP的I/O口提供，此外相選擇信號還作為D觸發(fā)器的時鐘信號，從而達到通過D觸發(fā)器對過零點檢測信號進行鎖存的目的。D觸發(fā)器輸出過零點信號z0送到DSP經過30度電角度軟件延遲后，即得到該相繞組的換相信號，換相信號經過與PWM邏輯組合后即得到控制逆變器六個開關管的驅動信號。
2實驗結果
為了驗證本文提出的換相信號檢測方法的正確性，根據圖5的檢測電路構建的無刷直流電機試驗系統(tǒng)原理框圖如圖6所示。
圖中，控制芯片采用TMS320F2407DSP，電機參數為：功率500 W、2對極、額定轉速1500 r／min，逆變器的PWM-ON-PWM調制頻率為5 kHz。不同轉速下測量的線電壓差，線電壓差過零點Zo、相電流ia和逆變器開關營驅動信號Sl的實驗波形如圖7所示。
從圖7中可以看出，在百分之5的額定轉速到額定轉速的范圍內Zo的跳變時刻都正好對應著線電壓差的過零點，延遲30度電角度得到的開關管驅動信號跳變
PWM-ON-PWM調制方式控制的無刷直流電機換相信號檢測時刻與無刷直流電機換相時刻完全吻合，繞組電流的平頂階段與線電壓差含PWM調制波的區(qū)間相一致。因此，通過使用本文提出的換相信號檢測方法可以準確地檢測到PWM-ON-PWM調制方式無刷直流電機的繞組換相信號，從而構成PWM-ON-PWM調制方式的無位置傳感器控制系統(tǒng)。
3結論
本文提出了一種通過檢測線電壓差的過零點來檢測PWM-ON-PWM調制方式控制的無刷直流電機換相信號的方法，理論分析、仿真波形、實驗結果表明，提出的方法：
(1)、無需重構電機中性點，簡化了換相信號檢測電路；
(2)、不受PWM調制的影響，無需對檢測信號進行濾波，消除了濾波電路在所有轉速帶來的相移，拓寬了高速應用的范圍；
(3)、不受開關管和續(xù)流二極管導通壓降的影響，能在****至百分之5額定轉速下準確地檢測到換相信號。
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