反電動(dòng)勢(shì)無(wú)感無(wú)刷

1、基于反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)的無(wú)感無(wú)刷電機(jī)控制（第二節(jié)）（轉(zhuǎn)載）復(fù)制鏈接本帖最后由 地瓜ing于2016-6-17 10:00 編輯第二節(jié)直接反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)式無(wú)感無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)在本節(jié)，首先回顧了一種常用的反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)方法。然后，我們討論并 提出新奇的反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)方.Fig.2.19 Hall sensor signals vs, the phase current.第二節(jié)直接反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)式無(wú)感無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)在本節(jié)，首先回顧了一種常用的反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)方法。然后，我們討論并提出新奇的反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)方案。試驗(yàn)結(jié)果證明了新 式反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)方案和無(wú)感系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。特別的，一種首先商業(yè)化的用于無(wú)感無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的廉價(jià)混合信

2、號(hào)微控制器被開(kāi) 發(fā)，內(nèi)嵌了檢測(cè)電路以及電機(jī)控制外設(shè)，他具有標(biāo)準(zhǔn)的8位微控制器核心。2.1 普通反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)方案對(duì)三相無(wú)刷直流電機(jī)來(lái)說(shuō)，標(biāo)準(zhǔn)的，他是用六步 120度換相模式來(lái)驅(qū)動(dòng)的。在同一瞬間，只有三相中的兩相通電流。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)A相和B相通電時(shí)，C相懸空。這個(gè)通電傳導(dǎo)間隔持續(xù)60度電角度，稱作一步。傳統(tǒng)的從一步跳到下一步的方式稱作換向。所以，在一個(gè)周期內(nèi)總共有6步。如前面章節(jié)中 Fig1.2B所示，第一步是 AB,然后是AC,到BC,到BA,到CA到CB然后重復(fù)這種模式。通常，為了獲得最佳控制和最大扭矩/安培值，我們這樣切換電流：保持相內(nèi)的電流與相反電動(dòng)勢(shì)同相。切換時(shí)間由轉(zhuǎn)子位置決定。因?yàn)榉措?/p>

3、動(dòng)勢(shì)的波形由轉(zhuǎn)子位置決定，這就使在反電動(dòng)勢(shì)已知的情況下確定換向時(shí)間成為可能。在Fig。2.1中,相電流與相反電動(dòng)勢(shì)同相。如果過(guò)零點(diǎn)的相反電動(dòng)勢(shì)能夠測(cè)量，我們就能夠知道什么時(shí)候切換電流。如前所述，在任一時(shí)刻，只有兩相導(dǎo)通電流，第三相懸空是開(kāi)放的。這打開(kāi)了一扇在懸空線圈檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)的窗口。圖Fig2.2Y型連接的電機(jī)中心Fig2.2llack-hMfFig.2.1 The phahc cuncm i*F二W=R r.NDPCI網(wǎng)ER GN口(A) Bcick EMF zero crossing detection scheme with the motor neutral pointwith th

4、e back EMF tn bruhkss de motor.我們測(cè)量了懸空端的端電壓。這種方案需要電機(jī)中立點(diǎn)電壓以得到過(guò)零點(diǎn)的反電動(dòng)勢(shì)，因?yàn)檫@種反電動(dòng)勢(shì)電壓是以電機(jī)中這種方案比較簡(jiǎn)單。從這種方法發(fā)明出來(lái)就一直被長(zhǎng)期使用。但是，這種方案也有缺點(diǎn)PWM驅(qū)動(dòng)，中立點(diǎn)并不是靜止的點(diǎn)。這點(diǎn)的電勢(shì)從上倒下跳動(dòng)。他產(chǎn)生很高的共模電壓和高頻噪聲。因此我們需要電壓分配器和低通濾波器以削弱共模電壓和高頻噪聲，如圖 Fig2.3所示。舉例來(lái)說(shuō)，如果直流總線電壓是300V,中立點(diǎn)的電勢(shì)能從0V到300V之間變化。比較器允許的共模電壓只有大概5V。我們可知需要多大的衰減。明顯的，分壓器在低速情況下將削弱信號(hào)敏感性，尤

5、其是在需要更大敏感性的啟動(dòng)階段。另一方面，需要的低通濾波器將引起一個(gè)與轉(zhuǎn)子速度 無(wú)關(guān)的固定延遲。當(dāng)轉(zhuǎn)子速度增加時(shí)，這個(gè)延遲占總體時(shí)間的比例也在上升。這個(gè)延遲將阻礙電流曲線和反電動(dòng)勢(shì)曲線對(duì) 齊，將在高速狀態(tài)下導(dǎo)致嚴(yán)重的切換問(wèn)題。因此，這種方法往往具有較窄的速度區(qū)間。過(guò)去，有很多可以支持無(wú)刷直流電機(jī)的集成電路，他們都基于以上討論的方案。包括Unitrode的UC3646 , Microlinear的ML4425 ,和Silicon Systems的32M595.這些芯片都具有我們提到的缺點(diǎn)。同樣，他們都是模擬器件，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)缺乏 彈性。Fig2 3 Back EMF sensing based

6、on vinual neutral point在文獻(xiàn)中，一些其他無(wú)感無(wú)刷直流電機(jī)控制方案也有所報(bào)道。反電動(dòng)勢(shì)集成法在轉(zhuǎn)子速度下具有減弱開(kāi)關(guān)噪聲敏感度和在換相器切換瞬間自動(dòng)適應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)。反電動(dòng)勢(shì)集成在低速下仍然存在準(zhǔn)確性問(wèn)題。轉(zhuǎn)子位置可以由固定在定子上的三次諧波電壓組件確定。缺點(diǎn)是在低速情況下三次諧波電壓相對(duì)值較低。轉(zhuǎn)子位置信息由連接在未激活相的續(xù)流二極管（儲(chǔ)能二極管）的導(dǎo)通狀態(tài)決定。檢測(cè)電路相對(duì)復(fù)雜，而且在低速情況下仍然存在問(wèn)題。2.2 推薦的直接反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)方案像之前討論的那樣，在無(wú)感系統(tǒng)中，富含雜波的中立點(diǎn)導(dǎo)致了很多問(wèn)題。推薦的反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)方案試圖回避中立點(diǎn)電壓。如果我們采用適當(dāng)?shù)?PWM策

7、略，相對(duì)于 GND的反電動(dòng)勢(shì)電壓可以被直接從電機(jī)接線端的電壓中提取出來(lái)。對(duì)于無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)說(shuō)，只有三相中的兩相在同一時(shí)間通電。PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以在以下三種方式間改變：- 在高臂端：PWM只在高臂端的開(kāi)關(guān)中應(yīng)用，低臂端在這一步期間保持開(kāi)狀態(tài)。- 在低臂端：PWM is被加在低臂端開(kāi)關(guān)上，高臂端在這一步器件保持開(kāi)狀態(tài)。- 在兩端：高臂端和低臂端一起開(kāi)或關(guān)。在我們提出白方案中，PWM信號(hào)只提供給高臂開(kāi)關(guān)，反電動(dòng)勢(shì)在PWM關(guān)閉時(shí)間測(cè)得。Fig2.4顯示了設(shè)想的檢測(cè)電路。Fig2.4 和fig2.2的不同是在fig2.4中在信號(hào)處理時(shí)電機(jī)中立點(diǎn)電壓沒(méi)有被使用。假設(shè)在特定白步器件，A相和B相通電，C相

8、懸空。A相的上部開(kāi)關(guān)由 PWM控制，B相的下部開(kāi)關(guān)保持接通狀態(tài)。端電壓- c被測(cè)量到。Fig2.5顯示了 PWM信號(hào)的分布。GNDFig,2. 4 Proposed back EMF zero crossing detection sch-Ti?.VdcAB AC BC BA CA CB ABFig.2. 5 Proposed PWM strategy for direct back EMF detection schcnn?CompanntorFig.2, 6 Circuit model of proposed Rack FMF detection during the PWM off ti

9、menicimcnrFig2.6顯示了電路模型的導(dǎo)電分析當(dāng)A相的上部開(kāi)關(guān)閉合， 電流流經(jīng)開(kāi)關(guān)到 AB的線圈。當(dāng)半橋的上部晶體管關(guān)斷，電流通過(guò)二極管續(xù)流流經(jīng) A相下部開(kāi)關(guān)。在此續(xù)流器件，在 C相沒(méi)有電流的情況下，端電壓 Vc在C相被檢測(cè)到產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)。通過(guò)電路，很簡(jiǎn)單的得到Vc=Ec+Vn , Vc是懸空端C相的端電壓，Ec是相反電動(dòng)勢(shì)，Vn是電機(jī)中立點(diǎn)電壓。從相A,如果前端的二極管電壓降被忽略，我們有：0 ri L e拄dr對(duì)于B相，如果開(kāi)關(guān)的前端壓降忽略，我們有:2.1和2.2相加得e +etQ3).口 b假設(shè)這是一個(gè)平衡三相系統(tǒng)，如果我們忽略三次諧波，我們有(2.4),或者我們不忽略三次

10、諧波，我們有(25)e3代表三次諧波先讓我們忽略三次諧波完成分析通過(guò)2.3和2.4我們有eV二工“2因此，端電壓Vc(2.61.(2.7).從上面的等式，可以看作在PWM關(guān)閉期間，也就是電流續(xù)流器件，懸空相的端電壓是直接與反電動(dòng)勢(shì)電壓成正比的沒(méi)有疊加任何開(kāi)關(guān)噪聲。同樣重要的是明白這一點(diǎn)，端電壓是與GND為參考的，而不是懸空中立點(diǎn)電壓，我們不需要擔(dān)心共模電壓。因?yàn)檎嬲姆措妱?dòng)勢(shì)是從端電壓中提取的，相反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)可以被精確的檢測(cè)到。如果我們考慮三次諧波，從式 2.3和2.5(2.8k所以端電壓Vc(2.9).因此，端電壓將參照三次諧波。但是，因?yàn)榛静▌?dòng)的過(guò)零點(diǎn)與三次諧波的過(guò)零點(diǎn)伴隨，三次諧波不

11、會(huì)影響基本波形的過(guò) 零點(diǎn)。我們做了一些測(cè)試去顯示基本波形與三次諧波之間的聯(lián)系。Fig2.7和Fig2.8顯示電機(jī)A的結(jié)果。Fig2.9和2.10顯示電機(jī)B的結(jié)果。兩種電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)的波形不同。然而，兩個(gè)電機(jī)的三次諧波的過(guò)零點(diǎn)與基本波形重疊，也就是說(shuō)三次諧波不會(huì)影響過(guò)零點(diǎn)的基本波形。對(duì)電機(jī)B來(lái)說(shuō)，三相有點(diǎn)不平衡。即使在這種狀態(tài)下，基本波形和三次諧波的的過(guò)零點(diǎn)重疊的很好。Fig. 2.7 Fundamental wave and third harmonics of back EMF for motor .XFig.2. 8 Expanded waveform of Fundamental wav

12、e and third harmonics of back EMb tor motor Aie3KURX.COMFig. 2.9 Fundamental wave and third hannonics of back EMF for motor B1B9KURI.E0MFig,2, 10 Expanded wavefbmi of Fundamenial wave und iliird liarmonics of back EMF for motor li因此我們可以在過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)中忽略三次諧波。方程 2.7是一次有效過(guò)零檢測(cè)。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)方案，F(xiàn)ig2.11顯示方案的端電壓波形。從這個(gè)波形看，

13、當(dāng)懸空相反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)可以很容易的從端電壓中分離出來(lái)。從T1到T2,線圈一直懸空；從 T2到T3,線圈導(dǎo)通；從 T3到T4 ,線圈又懸空。反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)可以在PWM關(guān)斷狀態(tài)下被檢測(cè)到。如果反電動(dòng)勢(shì)為負(fù)，換向器的并行二極管最小0.7V。當(dāng)反電動(dòng)勢(shì)為正時(shí)，其在端電壓中顯示出來(lái)。在T1到T2期間，過(guò)零點(diǎn)的上升沿被檢測(cè)到；在 t3到T4器件，過(guò)零點(diǎn)的下降沿被檢測(cè)到。削EUFEWFZctw Cr。計(jì)Floating periixJ卜 kxiting periodl nndutliiiw perkwlT4Fig.2. 11 Phase Icnninal voltage and I he back EMF wa

14、veform爐 -r-'H總的來(lái)說(shuō)，反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn):# 高敏感度。首先，因?yàn)槲覀儾皇褂梅謮弘娐?，電路沒(méi)有什么技減。即使在低速條件下也是有較好的解決方案。第二，高 頻切換噪聲可以由 PWM關(guān)斷器件期間的反電動(dòng)勢(shì)采樣。同步采樣可以比較簡(jiǎn)單的去除切換雜波。第三，因?yàn)榉措妱?dòng)勢(shì)以GNd為參照，共模電壓最小。# 由于沒(méi)有濾波電路，對(duì)高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)比較有利。# 這種就愛(ài)你測(cè)方法可以比較容易的用在高電壓和低電壓系統(tǒng)中，不用在衡量電壓時(shí)過(guò)分投入。# 因?yàn)檫^(guò)零點(diǎn)的反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)是沒(méi)有衰減的。# 他比較容易實(shí)現(xiàn)，后續(xù)部分會(huì)講到。2.3 提出的反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)方案的硬件實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)同步采樣電路用于檢測(cè)反電動(dòng)

15、勢(shì)過(guò)零點(diǎn)。最近幾年，隨著混合信號(hào)IC技術(shù)，OC （片上系統(tǒng)）器件變得可行。精確模擬，高吞吐量處理器和在系統(tǒng)可編程存儲(chǔ)器和其他外設(shè)可以被植入單個(gè)芯片。SOC器件有很多優(yōu)點(diǎn)，包括更低的系統(tǒng)成本，更小的體積，優(yōu)秀的系統(tǒng)表現(xiàn)和可靠性。八位微控制器已經(jīng)成為近二十年來(lái)嵌入式控制系統(tǒng)的主流。我們可以以較低的價(jià)格得到這些器件；指令集更加易用。因此，反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路被嵌入到了標(biāo)準(zhǔn)ST7家族微控制器核心中，使其成為一種廉價(jià)的專用的無(wú)感無(wú)刷直流電機(jī)微控制器。首先，讓我們看一下反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)同步檢測(cè)的具體實(shí)現(xiàn)。Fig2.12顯示了反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)的硬件實(shí)現(xiàn)。反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)通過(guò)一個(gè)多路復(fù)用器，控制器依據(jù)電機(jī)換相階段選擇哪

16、一路輸入成為被檢測(cè)對(duì)象。因?yàn)橹挥羞^(guò)零點(diǎn)是我們感興趣的，最高電壓被二極管鉗制在5V,從而保持電壓在檢測(cè)器放大器的量程范圍內(nèi)。選擇的信號(hào)與固定的接近于0的參考電壓做比較。在關(guān)閉時(shí)間，反電動(dòng)勢(shì)被與參考電壓做比較。在 PWM的上升沿，在PWM打開(kāi)的初期，也就是關(guān)斷的末期，將閉鎖比較器輸出以捕獲過(guò)零點(diǎn)信息。Phase CPhase 門(mén)iunConipaGiLorBSampkLatch-upPhase A青 QW*MUXpwm nuiuLFig21 工 Synchronous sampling of the back EMF-我們推薦的同步采樣電路是通過(guò)一個(gè)廉價(jià)的八位微控制器ST72141來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它是一

17、種無(wú)感無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)專用芯片。圖Fig2.13顯示了該器件的框圖。芯片劃分成四個(gè)主要部分。X反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)器是一個(gè)同步采樣電路x延遲管理器是一個(gè)計(jì)時(shí)器和 8X8位硬件多路復(fù)用控制從過(guò)零點(diǎn)到換向的適當(dāng)延遲XPWM管理器選擇控制模式，電流控制模式或電壓控制模式X通道管理器發(fā)送 PWM信號(hào)到正確的開(kāi)關(guān)用于 6步換向。H h M F / I H HVh r lOK TEC TORmodeGunvm，k 卜 i' c- Ms j h m ij dl«calls oommutation1 i.2. 13 Block diagram of thu moicr conirul hartl

18、u arc macro cell of ST72141.Rotation manHonngi rwrn-無(wú)感無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的原理圖如Fig2.14所示。電機(jī)中斷電壓直接通過(guò)限流電阻接給微控制器。對(duì)于不同電壓的應(yīng)用，我們需要調(diào)節(jié)電阻值以設(shè)定相應(yīng)的注入電流。IVItiMl |AST72H1MCIXI WC«IMCD2SKftjVK UIRack - 4F' SensingI-i 2 .64 1 he novel microconirallcph:isrd scn?*nrcxs HL IM' moitiT dri 這是一種首先被商業(yè)化的專用無(wú)感無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。相

19、比其他模擬芯片來(lái)說(shuō)， 這種新型的微控制器擁有廉價(jià)、可靠、<jlTIM: K 1彈性大、智能等優(yōu)點(diǎn)，我們將在隨后的自動(dòng)燃料泵應(yīng)用中舉例說(shuō)明。換向算法用的是標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)刷直流電機(jī)控制算法。在反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零后，再過(guò) 30電角度開(kāi)始換向。感謝這種可編程微控制器，這個(gè)系統(tǒng)擁有更大彈性，電機(jī)在開(kāi)環(huán)速度或閉環(huán)速度下運(yùn)行，取決于應(yīng)用。而且也更加方便適應(yīng)控制參數(shù)。舉例來(lái)說(shuō)，過(guò)零點(diǎn)和換向之間的延遲能夠很容易的用軟件來(lái)調(diào)節(jié)。通常，相反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零到換向的延遲是30電角度，這樣可以保證反電動(dòng)勢(shì)和電流保持同相。對(duì)很多高速應(yīng)用來(lái)說(shuō)，換向可以在域效果下完成，以擴(kuò)展速度范圍。在硬件核心中的延時(shí)管理單 元可以通過(guò)軟件來(lái)調(diào)節(jié)延遲。

20、2.4 關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)波形無(wú)感無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)已經(jīng)成功應(yīng)用到很多家庭電器當(dāng)中，空氣排風(fēng)機(jī)，真空吸塵器和自動(dòng)燃料泵和高壓交流供電等。一下波形顯示了很多無(wú)感無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵操作波形。Fig2.15顯示了松開(kāi)端電壓和反電動(dòng)勢(shì)波形。在PWM關(guān)閉時(shí)期，懸空相的反電動(dòng)勢(shì)從懸空端電壓中被提取出來(lái)。F it? 2 1 5 luTininjI wllae and back-I MbFig2.16顯示了三相端電壓，反電動(dòng)勢(shì)，過(guò)零點(diǎn)信號(hào)。過(guò)零信號(hào)的每個(gè)觸發(fā)沿都與過(guò)零點(diǎn)的反電動(dòng)勢(shì)一致。H.IK-VJ Ml廿30度電角度換向JFig.2+17 Sequence of zero crossing of back LMF and phase commutation.FltawCirrelFig2.18顯示了在電機(jī)低像之前描述的那樣，即使在低速條件下，反電動(dòng)勢(shì)的幅值較低，過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)也有很好的分辨率。速條件下，反電動(dòng)勢(shì)和過(guò)零點(diǎn)信號(hào)的波形。即使