基于直接反電動(dòng)勢(shì)法的無刷直流電機(jī)準(zhǔn)確換相新方法

1、第40卷第1期2010年1月東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版JOURNAL O F SOU THEAST UN I V ERS ITY (N atural Science Edition V ol .40N o .1Jan .2010基于直接反電動(dòng)勢(shì)法的無刷直流電機(jī)準(zhǔn)確換相新方法林明耀周谷慶劉文勇(東南大學(xué)伺服控制技術(shù)教育部工程研究中心,南京210096(東南大學(xué)電氣工程學(xué)院,南京210096摘要:分析了上橋臂P WM 調(diào)制、下橋臂恒通調(diào)制方式時(shí)的端電壓波形,討論相應(yīng)的反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)方法.在P WM 調(diào)制信號(hào)開通狀態(tài)結(jié)束時(shí)刻對(duì)端電壓進(jìn)行采樣,由軟件算法確定反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn).針對(duì)電機(jī)運(yùn)行時(shí)存在超前換相

2、或滯后換相的情況,通過設(shè)置合理的延遲時(shí)間來實(shí)現(xiàn)最佳換相.針對(duì)實(shí)際電機(jī)存在反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)分布不均勻的情況,根據(jù)過零點(diǎn)間隔時(shí)間存在著周期性規(guī)律,提出一種新的延遲時(shí)間設(shè)置方法,使換相點(diǎn)位于相鄰過零點(diǎn)的中間位置,實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的準(zhǔn)確換相.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提出方法的可行性和有效性.New accurate co mmut ati on method based on di rectback 2E M F method for brushless DC motorL in M ingyao Zhou G uq ing L iu W enyong(Engineering Research C enter for M

3、 otion Control of M inistry of Education,Southeast U niversity,N anjing 210096,China (School of Electrical Engineering,Southeast U niversity,N anjing 210096,China Abstract:The sensorless control drive for brushless direct current m achine (BLDCM is investigatedbased on direct back electrom otive for

4、ce (back 2E M F detection m ethod .The ter m inal voltage w ave 2for m is analyzed for the H _pwm 2L _on type of m odulation,and the zero 2crossing point detection m eth 2ods are discussed .The ter m inal voltage is sam p led at the end of pulse w idth m odulation (P WM on 2state and the zero 2cross

5、ing point is extracted from the p roposed algorithm.The effects of the leading and the lagging comm utation on the operation perfor m ance are analyzed,and the condition of the op ti 2m al comm utation is p resented .B ecause the zero 2crossing points distribute asymm etrically in the BLD 2CM ,a new

6、 setting m ethod of delay ti m e is suggested and the m ore accurate comm utations are a 2chieved .The experi m ent results have verified the feasibility and validity of the p roposed m ethod .Key words:back electrom otive fo rce m ethod;ter m inal voltage;zero crossing point detection;com 2m utatio

7、n;brush less direct cu rrent m ach ine收稿日期:2009205227.作者簡(jiǎn)介:林明耀(1959,男,博士,教授,m ylin seu .edu .cn .基金項(xiàng)目:江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(B K 2008306.引文格式:林明耀,周谷慶,劉文勇.基于直接反電動(dòng)勢(shì)法的無刷直流電機(jī)準(zhǔn)確換相新方法J .東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010,40(1:892無刷直流電機(jī)(BLD CM 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行效率高和調(diào)速性能好等優(yōu)點(diǎn),在工業(yè)和商業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用.近年來,無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制一直是國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn),較為常見的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測(cè)方法有反電動(dòng)勢(shì)法

8、、定子電感法、續(xù)流二極管法、磁鏈估計(jì)法和狀態(tài)觀測(cè)器法等122,其中反電動(dòng)勢(shì)法最為有效實(shí)用.文獻(xiàn)3在低速和高速時(shí),分別在P WM 關(guān)斷和開通階段檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì),采用2個(gè)不同的參考電壓獲得反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn),而不需位置傳感器和電流傳感器,但增加了硬件電路的復(fù)雜性.文獻(xiàn)4通過比較懸空相繞組端電壓和逆變器直流環(huán)中點(diǎn)電壓的關(guān)系,獲得反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn).該方法無需重構(gòu)電機(jī)中性點(diǎn),不使用濾波電路,但需采用硬件電路比較得到過零點(diǎn).文獻(xiàn)5提出了在on _pwm 調(diào)制方式時(shí)的反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)方法,采用內(nèi)置AD 的微控制器在P WM 開通時(shí)檢測(cè)懸空相端電壓,軟件算法中使用簡(jiǎn)單的代數(shù)運(yùn)算,獲得準(zhǔn)確的過零點(diǎn)信號(hào).目前,關(guān)于反電

9、動(dòng)勢(shì)法的研究多集中在反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)的檢測(cè)電路方法和由濾液電路引起的相位誤差的消除或補(bǔ)償方法,但在準(zhǔn)確換相方面的研究尚不夠深入.1直接反電動(dòng)勢(shì)法原理無刷直流電機(jī)一般采用“兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)”運(yùn)行方式,每個(gè)工作狀態(tài)只有兩相繞組導(dǎo)通,第三相繞組處于懸空狀態(tài),被用來檢測(cè)反電勢(shì)過零點(diǎn).在檢測(cè)到反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)后,根據(jù)換相點(diǎn)滯后過零點(diǎn)30°,設(shè)置對(duì)應(yīng)的延遲時(shí)間.當(dāng)延遲時(shí)間到達(dá)后,電機(jī)換相進(jìn)入下一個(gè)工作狀態(tài).本文采用基于端電壓的直接反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路,通過檢測(cè)懸空相繞組的端電壓信號(hào)來獲得反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn).采用分壓電阻對(duì)端電壓和直流側(cè)電壓進(jìn)行同比例分壓,使分壓后的被測(cè)信號(hào)落在采樣單元允許的輸入范圍內(nèi).圖1

10、(a 為主電路和直接反電勢(shì)法分壓電路,端電壓U A ,U B ,U C 和U D C 經(jīng)過分壓后分別為U a ,U b ,U c 和U dc .(a 主電路結(jié)構(gòu)圖(b 反電動(dòng)勢(shì)波形和過零點(diǎn)檢測(cè)波形圖1無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)理想的反電動(dòng)勢(shì)波形為正負(fù)交變的梯形波,且以電機(jī)中心點(diǎn)為參考點(diǎn),圖1(b 中,e A ,e B ,e C 分別表示三相反電動(dòng)勢(shì).電機(jī)在一個(gè)周期內(nèi)共有6個(gè)工作狀態(tài),每隔60°電角度工作狀態(tài)改變一次,每個(gè)功率開關(guān)導(dǎo)通120°電角度.工作狀態(tài)可以由導(dǎo)通的兩相繞組和2個(gè)功率開關(guān)表示,如圖1(b 所示,BA 表示電流從B 相繞組流入,從A 相繞組流出;Q 3Q 4表示B

11、 相上橋臂和A 相下橋臂的2個(gè)功率開關(guān)導(dǎo)通.過零點(diǎn)檢測(cè)波形表示反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)和換相點(diǎn),其中,Z 為反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn),C 為換相點(diǎn).反電勢(shì)過零點(diǎn)和換相點(diǎn)均勻分布,彼此間隔30°電角度.2反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)方法無刷直流電機(jī)控制可以采用多種P WM 調(diào)制方式1.采用的調(diào)制方式不同,呈現(xiàn)的端電壓波形也不同.本文采用上橋臂P WM 調(diào)制,下橋臂恒通(H _pwm 2L _on 的調(diào)制方式.以A 相為例,假設(shè)P WM 占空比為50%,忽略高頻開關(guān)噪聲和換相續(xù)流產(chǎn)生的脈沖毛刺,理想的端電壓波形如圖2(a 所示.在一個(gè)周期范圍內(nèi),將A 相端電壓波形劃分為BA ,BC,AC,AB ,CB 和CA 六個(gè)區(qū)

12、域,每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)一個(gè)工作狀態(tài).端電壓波形的上升部分和下降部分為BC 區(qū)和CB 區(qū),此時(shí)A 相處于懸空狀態(tài) .(a A 相一個(gè)周期的端電壓波形(b A 相懸空階段的端電壓波形圖2P WM 調(diào)制時(shí)的端電壓波形BA 和CA 區(qū)為A 相下橋臂開關(guān)導(dǎo)通階段,Q 4處于恒通狀態(tài),A 相繞組與直流側(cè)電壓的負(fù)極相連,端電壓被鉗制到直流側(cè)電壓的負(fù)極電位.由于直流側(cè)電壓的負(fù)極為端電壓的參考點(diǎn),此時(shí)端電壓為零.A C 和AB 區(qū)為A 相上橋臂開關(guān)P WM 調(diào)制階段.以A C 區(qū)為例,在P WM 開通期間,Q 1和Q 2導(dǎo)通,A 相繞組與直流側(cè)電壓的正極相連,端電壓為09東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版第40卷U D C;在

13、P WM關(guān)閉期間,Q1關(guān)閉,Q2導(dǎo)通,由于繞組阻抗呈感性,A相下橋臂的反并聯(lián)二極管D4導(dǎo)通續(xù)流,此時(shí)A相繞組與直流側(cè)電壓的負(fù)極相連,端電壓為零.B C和CB區(qū)為A相懸空階段,將2個(gè)區(qū)域各自分為和兩個(gè)時(shí)段,如圖2(b所示.以B C區(qū)為例,此時(shí)電流從B相繞組流進(jìn),C相繞組流出,如圖3所示.圖中,RS 和LS分別表示定子繞組的等效電阻和電感,UN為電機(jī)中心點(diǎn)電壓,i為相電流.忽略功率開關(guān)和二極管的正向?qū)▔航?根據(jù)基爾霍夫電壓定律可得U N=U B-i R S+L S d id t-eB(1U N=U C-i R S+L S d id t-eC( 2由式(1和(2得到中心點(diǎn)電壓為U N=U B+U

14、C2-e B+e C2(3B,C兩相繞組的反電動(dòng)勢(shì)有如下關(guān)系:e B+e C=0(4圖3A相懸空、B C相導(dǎo)通時(shí)電機(jī)等效電路圖P WM調(diào)制開通期間,Q3和Q2導(dǎo)通,此時(shí)U B=UD C,U C=0,有U N=U D C/2,則過零點(diǎn)檢測(cè)方程6為U A=e A+U D C/2(5此時(shí)端電壓波形呈現(xiàn)為反電動(dòng)勢(shì)eA與UD C/2疊加,端電壓的包絡(luò)線如圖2(b所示.在P WM調(diào)制關(guān)閉期間,Q3關(guān)閉,Q2和D6導(dǎo)通續(xù)流,此時(shí)UB=UC=0,有U N=0,則過零點(diǎn)檢測(cè)方程為U A=e A(61在時(shí)段,A相反電動(dòng)勢(shì)e A為負(fù),直流側(cè)電壓的負(fù)極和UN等電位,此時(shí)D4受正向偏壓而 導(dǎo)通7,如圖4( a所示,A相

15、繞組與直流側(cè)電壓的負(fù)極相連,端電壓為零.2在時(shí)段,A相反電動(dòng)勢(shì)e A為正,D4處于關(guān)閉狀態(tài),端電壓波形呈現(xiàn)為反電動(dòng)勢(shì)eA,端電壓的包絡(luò)線如圖2(b所示.(a階段(b階段圖4P WM調(diào)制關(guān)閉期間的續(xù)流示意圖本文在P WM調(diào)制開通狀態(tài)結(jié)束時(shí)刻對(duì)懸空相的端電壓進(jìn)行采樣.由于硬件電路存在延時(shí)效應(yīng),采樣時(shí)功率開關(guān)尚未關(guān)斷,相當(dāng)于在P WM調(diào)制開通期間采樣,此時(shí)被采樣的電壓信號(hào)受開關(guān)噪聲影響較小.根據(jù)式(5,當(dāng)檢測(cè)到A相端電壓值為直流電壓值的一半時(shí),A相反電動(dòng)勢(shì)過零,UA和U D C/2的比較就相當(dāng)于e A和0的比較.反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)方法簡(jiǎn)單準(zhǔn)確,使用軟件算法判斷反電勢(shì)過零點(diǎn).硬件電路只要選擇阻值和功率

16、都合適的電阻用于分壓,不需要重構(gòu)電機(jī)中心點(diǎn),也不需要低通濾波器,信號(hào)沒有相位延時(shí),也不采用比較器來檢測(cè)過零點(diǎn).硬件電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,適合低成本應(yīng)用.3延遲時(shí)間設(shè)置方法最佳換相邏輯是指繞組在梯形波反電勢(shì)的平頂部分導(dǎo)通8,與之對(duì)應(yīng)的最佳換相位置是指在換相完成后,定子磁勢(shì)超前轉(zhuǎn)子磁勢(shì)120°電角度,如圖5所示.其中,Fa和Fr分別表示定子磁勢(shì)和轉(zhuǎn)子磁勢(shì).在一個(gè)工作狀態(tài)內(nèi)定子磁勢(shì)平均超前轉(zhuǎn)子磁勢(shì)90°電角度,平均電磁轉(zhuǎn)矩最大.若在換相時(shí)刻轉(zhuǎn)子已經(jīng)轉(zhuǎn)過最佳換相位置,則表現(xiàn)為滯后換相,換相點(diǎn)在時(shí)間軸上相對(duì)最佳換相位置右移,端電壓波形不對(duì)稱,右側(cè)的部分波形被湮沒,過零點(diǎn)到換相點(diǎn)的延遲時(shí)間tZ

17、C偏大,如圖6所示.滯后換相時(shí),轉(zhuǎn)子超過最佳換相位置的角度應(yīng)小于30°電角度,若換相嚴(yán)重滯后,下次過零點(diǎn)19第1期林明耀,等:基于直接反電動(dòng)勢(shì)法的無刷直流電機(jī)準(zhǔn)確換相新方法 (a 對(duì)應(yīng)滯后換相(b 對(duì)應(yīng)超前換相圖5 換相位置示意圖將被湮沒而檢測(cè)不到,引起電機(jī)失步.反之,若轉(zhuǎn)子還沒有到達(dá)最佳換相位置就換相,則為超前換相,換相點(diǎn)在時(shí)間軸上相對(duì)最佳換相位置左移,端電壓的部分左側(cè)波形被湮沒,過零點(diǎn)到換相點(diǎn)的延遲時(shí)間t ZC 偏小.滯后換相和超前換相都會(huì)引起電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng),轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn).實(shí)測(cè)的端電壓波形(通道1如圖7所示,通道2為過零點(diǎn)檢測(cè)波形,上升沿與下降沿分別對(duì)應(yīng)過零點(diǎn)與換相點(diǎn) .圖6

18、滯后換相與超前換相的示意圖根據(jù)過零點(diǎn)超前換相點(diǎn)30°電角度的原理,在檢測(cè)到過零點(diǎn)后,設(shè)置延遲時(shí)間t ZC 確定換相點(diǎn).理想運(yùn)行狀態(tài)下,過零點(diǎn)與換相點(diǎn)等間隔分布,彼此相差30°電角度.因此,可根據(jù)過零點(diǎn)的間隔時(shí)間來設(shè)置延遲時(shí)間,傳統(tǒng)的延遲時(shí)間設(shè)置方法9210是將延遲時(shí)間設(shè)置為上次過零點(diǎn)到本次過零點(diǎn)時(shí)間的一半,如圖8所示.圖中,Z (k ,C (k 分別表示第k 次過零點(diǎn)和第k 次換相點(diǎn),當(dāng)檢測(cè)到第k 次過零點(diǎn)時(shí),延遲時(shí)間如下設(shè)置:t ZC (k =T ZZ (k -12(7式中,T ZZ (k -1為第k -1次過零點(diǎn)到第k 次過零點(diǎn)的時(shí)間;t ZC (k 為第k 次過零點(diǎn)到

19、第k 次換相點(diǎn)的延遲時(shí)間.將設(shè)置好的延遲時(shí)間載入寄存器, 計(jì)數(shù)器開始(a 滯后換相的端電壓波形(b 超前換相的端電壓波形圖72 種換相不準(zhǔn)確情況對(duì)應(yīng)的端電壓波形圖8傳統(tǒng)的延遲時(shí)間設(shè)置方法計(jì)時(shí).到達(dá)預(yù)設(shè)的延遲時(shí)間后,電機(jī)換相進(jìn)入下一個(gè)工作狀態(tài),定子磁勢(shì)步進(jìn)一次.換相點(diǎn)位于相鄰過零點(diǎn)的中間位置,電機(jī)在最佳換相位置換相,平均電磁轉(zhuǎn)矩最大,端電壓波形呈對(duì)稱狀態(tài).當(dāng)反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)分布均勻時(shí),傳統(tǒng)的延遲時(shí)間設(shè)置方法能較好地實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制.4新的延遲時(shí)間設(shè)置方法反電動(dòng)勢(shì)法重在檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)波形上升和下降部分的2個(gè)過零點(diǎn),波形平頂部分對(duì)過零點(diǎn)檢測(cè)方法影響不大.由于電機(jī)制造工藝等方面的影響,實(shí)

20、際的無刷直流電機(jī)存在三相繞組并不完全對(duì)稱的情況,導(dǎo)致三相反電動(dòng)勢(shì)之間存在差異,相鄰過零點(diǎn)的間隔時(shí)間不完全相等,過零點(diǎn)分布并不均勻.29東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版第40卷假設(shè)A 相反電動(dòng)勢(shì)存在相位偏移,波形上升和下降部分上的過零點(diǎn)滯后出現(xiàn),導(dǎo)致過零點(diǎn)在時(shí)間軸上分布不均勻.如圖9所示,虛線表示理想反電動(dòng)勢(shì),實(shí)線表示存在相位偏移的實(shí)際反電動(dòng)勢(shì),過零點(diǎn)的間隔時(shí)間T ZZ (1,T ZZ (2和T ZZ (3不相等.每相反電動(dòng)勢(shì)波形上升和下降部分的2個(gè)過零點(diǎn)相差180°電角度,過零點(diǎn)間隔時(shí)間存在著周期性規(guī)律,如T ZZ (1=T ZZ (4,T ZZ (2=T ZZ (5和T ZZ(3=T ZZ (6 .圖9