PWM - ON - PWM調(diào)制方式控制的無(wú)刷直流電機(jī)換相信號(hào)檢測(cè)

1、 P WM2ON2P WM調(diào)制方式控制的無(wú)刷直流電機(jī)換相信號(hào)檢測(cè)收稿日期:2009204215薛曉明,樓樺(常州信息技術(shù)學(xué)院,常州213164摘要:為了實(shí)現(xiàn)P WM2ON2P WM調(diào)制方式控制的無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的檢測(cè),在分析了該種調(diào)制方式控制的功率逆變器為橋式結(jié)構(gòu)無(wú)刷直流電機(jī)端電壓的基礎(chǔ)上,提出一種通過(guò)檢測(cè)線電壓差的過(guò)零點(diǎn),移相30°電角度獲得換相信號(hào)的方法,并以此得到了相應(yīng)的檢測(cè)電路。通過(guò)應(yīng)用該檢測(cè)電路搭建無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:提出的方法在寬速度范圍內(nèi),特別是低速時(shí)都能準(zhǔn)確地檢測(cè)到轉(zhuǎn)子的位置,從而驗(yàn)證了該方法的有效性。關(guān)鍵詞:無(wú)刷直流電機(jī);換

2、相信號(hào);P WM2ON2P WM調(diào)制;反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn);檢測(cè)The D etecti on of Comm ut a ti on S i gna ls of P WM2O N2P WMM odul a ti on Con trol for Brushless DC M otorsXUE Xiao2m ing,Lou Hua(Changzhou College of Infor m ation Technology,Changzhou213164,ChinaAbstract:I n order t o achieve the r ot or positi on signals f or detect

3、i on the senorless brushless DC mot or of the P WM2ON2P WM modulati on contr ol,on the basis of analysis of ter m inal voltages for brushless DC mot or with the bridge inverter on the types of modulati on contr ol,obtained a method commutati on signals by detecting the line voltage difference zer o

4、cr ossings,then30°phase2shifting was p r oposed and got t o the corres ponding detecti on circuit.Si m ulati on and ex peri m ental results thr ough the app licati on of the detecti on circuit struc2 tures brushless DC mot or contr ol syste m show that the p r oposed method in a wide range of s

5、 peeds,particu2 larly when l ow2s peed can accurately detect the r ot or positi on,t o verify the effectiveness of the method.Key W ords:B rushless DC mot or;Commutati on signals;P WM2ON2P WM modulati on;Back2E MF zer o cr ossings;Detecti on0引言到目前為止,對(duì)于功率逆變器為橋式結(jié)構(gòu)的無(wú)刷直流電機(jī)而言,無(wú)刷直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)速的P WM調(diào)制方式主要有半橋調(diào)制、全

6、橋調(diào)制和P WM2ON2P WM 調(diào)制三種123。半橋調(diào)制控制簡(jiǎn)單,但存在斷開(kāi)相導(dǎo)通產(chǎn)生負(fù)向轉(zhuǎn)矩的現(xiàn)象。全橋調(diào)制盡管斷開(kāi)相不會(huì)產(chǎn)生續(xù)流現(xiàn)象,但開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)次數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于半橋調(diào)制開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)次數(shù),損耗較大。P WM2ON2P WM 調(diào)制又稱(chēng)為30°調(diào)制,是近年來(lái)提出的無(wú)刷直流電機(jī)的最優(yōu)P WM調(diào)制方式,它能同時(shí)解決半橋調(diào)制斷開(kāi)相導(dǎo)通的問(wèn)題與全橋調(diào)制開(kāi)關(guān)損耗大的問(wèn)題425。無(wú)論采用何種調(diào)制方式,無(wú)刷直流電機(jī)的運(yùn)行都必須依靠正確的換相信號(hào)控制繞組的電流與反電勢(shì)保持同步。傳統(tǒng)獲取換相信號(hào)的方法是采用位置傳感器直接測(cè)量,但位置傳感器增大了電機(jī)體積及生產(chǎn)工藝難度,不能適應(yīng)高溫、高濕、污濁空氣等惡劣

7、的工作環(huán)境。因此,無(wú)刷直流電機(jī)的無(wú)位置傳感器控制成了研究的熱點(diǎn),目前研究最廣泛的是通過(guò)檢測(cè)繞組反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn),延遲30°電角度得到換相信號(hào),但由于繞組反電勢(shì)無(wú)法直接檢測(cè),國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者提出了許多通過(guò)端電壓直接或間接檢測(cè)反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)的方法6210。本文在分析P WM2ON2P WM 調(diào)制方式一個(gè)換相區(qū)間端電壓的基礎(chǔ)上,提出一種通過(guò)檢測(cè)線電壓差的過(guò)零點(diǎn)來(lái)檢測(cè)P WM2ON2P WM 調(diào)制方式控制的無(wú)刷直流電機(jī)換相信號(hào)的方法,仿真波形和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該方法可以在很寬的速度范圍內(nèi)特別是較低速度下能準(zhǔn)確檢測(cè)到反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)。881線電壓差過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)原理具有理想梯形波反電勢(shì)、方波電樞電流、三相繞組星

8、形連接的無(wú)刷直流電機(jī)等效主電路如圖1所示,圖中S1、S3、S5為半橋逆變器的上管,S2、S4、S6為半橋逆變器的下管。 圖1無(wú)刷直流電機(jī)等效主電路三相繞組反電勢(shì)、電樞電流和逆變器六個(gè)開(kāi)關(guān)管P WM 2ON 2P WM 調(diào)制方式的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形如圖2所示。從圖2中可以看出,每個(gè)60°換相區(qū)間,前30°和后30°P WM 、下管恒通或上管恒通、下管P WM 兩種狀態(tài)。下面以060°換相區(qū)間進(jìn)行分析,在此區(qū)間內(nèi),A 相和B 相繞組通電,C 相繞組斷開(kāi)。為了分析的方便,假設(shè):每一個(gè)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通壓降相等,記為V T ;每一個(gè)續(xù)流二極管的正向壓降相等,記為V d。 圖

9、2繞組反電勢(shì)、電樞電流、開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形(10°30°,上管P WM 、下管恒通當(dāng)S1導(dǎo)通、S4導(dǎo)通時(shí),等效電路如圖3(a 所示,有V a =V dc -V T(1V b =V T (2V c =e c +V dc2(3由此可得V ab =V dc -2V T (4V bc =-e c -V dc2+V T(5V ca =e c -V dc2+V T(6由式(4式(6得V caab =e c -3V dc2+3V T (7V abbc =e c +3V dc2-3V T (8V bcca =-2e c(9當(dāng)S1關(guān)斷、S4導(dǎo)通時(shí),等效電路如圖3(b 所示,有V a =-V

10、d (10V b =V T(11V c =e c +V T -V d2(12由(10、(11、(12得V ab =-V d -V T (13V bc =-e c +V T +V d2(14V ca =e c +V T +V d2(15由(13、(14、(15得V caab =e c +3(V d +V T 2(16V abbc =e c -3(V d +V T 2(17V bcca =-2e c(18(230°60°,上管恒通、下管P WM當(dāng)S1導(dǎo)通、S4關(guān)斷時(shí),等效電路如圖3(c 所示,有V a =V dc -V T (19V b =V dc +V d(20V c =e

11、c +V dc +V d -V T2(21由(19、(20、(21得V ab =-V d -V T (22V bc =-e c +V T +V d2(23V ca =e c +V T +V d2(24由(22、(23、(24得V caab =e c +3(V d +V T 2(25V abbc =e c -3(V d +V T 2(26V bcca =-2e c(27從以上分析可以發(fā)現(xiàn),在060°換相區(qū)間內(nèi),無(wú)論上管和下管處于P WM 調(diào)制或恒通狀態(tài),線電壓差V bcca 始終等于C 相反電勢(shì)e c 的2倍,此時(shí)A98 相和B 相導(dǎo)通、C 相斷開(kāi),而且表達(dá)式中不含開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通壓降、續(xù)流

12、二極管壓降和P WM 開(kāi)關(guān)調(diào)制波。由此類(lèi)推,當(dāng)B 相和C 相導(dǎo)通、A 相斷開(kāi)階段,線電壓差V caab 始終等于A 相反電勢(shì)e a 的2倍;當(dāng)A 相和C 相導(dǎo)通、B 相斷開(kāi)階段,線電壓差V abbc 始終等于B 相反電勢(shì)e b 的2倍。圖4給出了利用M atlab710仿真的線電壓差和反電勢(shì)波形,從圖中可以看出,在該相導(dǎo)通階段,相應(yīng)線電壓差包含大量的P WM 調(diào)制波,而在該相斷開(kāi)階段,相應(yīng)的線電壓差則是與該相反電勢(shì)斜率相反的平滑直線,且反電勢(shì)e a 、e b 、e c 的過(guò)零點(diǎn)分別和線電壓差V caab 、V abbc 、V bcca 的過(guò)零點(diǎn)完全吻合。因此,通過(guò)檢測(cè)線電壓差的過(guò)零點(diǎn),延時(shí)30

13、°電角度就可以得到該相繞組的換相信號(hào),而且由于線電壓差是一個(gè)放大的反電勢(shì),從而可以在更低的速度下檢測(cè)到反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)。根據(jù)以上原理設(shè)計(jì)的線電壓差過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路如圖5所示,其工作過(guò)程為:三相端電壓V a 、V b 、V c 經(jīng)過(guò)電阻分壓后送到兩級(jí)運(yùn)放進(jìn)行運(yùn)算,得到三路線電壓差V caab 、V abbc 、V bcca ,從圖5可以發(fā)現(xiàn)由于線電壓差只有在該相不導(dǎo)通之間波形是平滑的,而在導(dǎo)通之間含有許多P WM 調(diào)制波,因此比較器只能在該相不導(dǎo)通期間工作,否則會(huì)產(chǎn)生許多假的過(guò)零點(diǎn),本文使用模擬開(kāi)關(guān)C D4051對(duì)三相檢測(cè)電路進(jìn)行選擇,即每60°內(nèi)只將斷開(kāi)相繞組過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路的輸出

14、送到后級(jí)觸發(fā)器74LS74中,CD4051的相選擇信號(hào)PS 由控制芯片DSP 的I/O 口提供,此外相選擇信號(hào)還作為D 觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào),從而達(dá)到通過(guò)D 觸發(fā)器對(duì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行鎖存的目的。D 觸發(fā)器輸出過(guò)零點(diǎn)信號(hào)Z O 送到DSP 經(jīng)過(guò)30°電角度軟件延遲后,即得到該相繞組的換相信號(hào),換相信號(hào)經(jīng)過(guò)與P WM 邏輯組合后即得到控制逆變器六個(gè)開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。 圖5線電壓差過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)原理電路圖2實(shí)驗(yàn)結(jié)果為了驗(yàn)證本文提出的換相信號(hào)檢測(cè)方法的正確性,根據(jù)圖5的檢測(cè)電路構(gòu)建的無(wú)刷直流電機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)原理框圖如圖6所示。 圖6無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)原理框圖圖中,控制芯片采用T MS320F2407

15、DSP,電機(jī)參數(shù)為:功率500W 、2對(duì)極、額定轉(zhuǎn)速1500r/m in,逆變器的P WM 2ON 2P WM 調(diào)制頻率為5kHz 。不同轉(zhuǎn)速下測(cè)量的線電壓差V caab 、線電壓差過(guò)零點(diǎn)Z o 、相電流i a 和逆變器開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)S1的實(shí)驗(yàn)波形如圖7所示。從圖7中可以看出,在5%的額定轉(zhuǎn)速到額定轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)Z o 的跳變時(shí)刻都正好對(duì)應(yīng)著線電壓差的過(guò)零點(diǎn),延遲30°電角度得到的開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)跳變09時(shí)刻與無(wú)刷直流電機(jī)換相時(shí)刻完全吻合,繞組電流的平頂階段與線電壓差含P WM 調(diào)制波的區(qū)間相一致。因此,通過(guò)使用本文提出的換相信號(hào)檢測(cè)方法可以準(zhǔn)確地檢測(cè)到P WM 2ON 2P WM 調(diào)制

16、方式無(wú)刷直流電機(jī)的繞組換相信號(hào),從而構(gòu)成P WM 2ON 2P WM 調(diào)制方式的無(wú)位置傳感器控制系統(tǒng) 。圖7不同轉(zhuǎn)速下的測(cè)量波形3結(jié)論本文提出了一種通過(guò)檢測(cè)線電壓差的過(guò)零點(diǎn)來(lái)檢測(cè)P WM 2ON 2P WM 調(diào)制方式控制的無(wú)刷直流電機(jī)換相信號(hào)的方法,理論分析、仿真波形、實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,提出的方法:(1、無(wú)需重構(gòu)電機(jī)中性點(diǎn),簡(jiǎn)化了換相信號(hào)檢測(cè)電路;(2、不受P WM 調(diào)制的影響,無(wú)需對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行濾波,消除了濾波電路在所有轉(zhuǎn)速帶來(lái)的相移,拓寬了高速應(yīng)用的范圍;(3、不受開(kāi)關(guān)管和續(xù)流二極管導(dǎo)通壓降的影響,能在最低至5%額定轉(zhuǎn)速下準(zhǔn)確地檢測(cè)到換相信號(hào)。參考文獻(xiàn)1張相軍,陳伯時(shí).無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中P

17、 WM 調(diào)制方式對(duì)換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響J .電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2003,7(2:87291.2張磊,瞿文龍,陸海峰,等.一種新穎的無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器控制系統(tǒng)J .電工技術(shù)學(xué)報(bào),2006,21(10:26230.3Na m Kiy ong,LEE Wootaik,LEE Choon man,et al .Reducing t orqueri pple of brushless DC mot or by varying input v oltageJ .I EEE Trans 2acti ons on Magnetics,2006,42(4:130721310.4韋鯤,胡長(zhǎng)生,張仲超.一種新的消

18、除無(wú)刷直流電機(jī)非導(dǎo)通相續(xù)流的P WM 調(diào)制方式J .中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2005,25(7:1042108.5孫立軍,孫雷,張春喜,等.無(wú)刷直流電機(jī)P WM 調(diào)制方式研究J .哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào),2006,11(2:1202123.6Iizuka K,U zuhasi H.Kano M ,et al .M icr ocomputer contr ol forsens orless brushless mot orJ .I EEE Transaciti on on I ndustry Ap 2p licati on,1985,21(4:5952601.7薛曉明,錢(qián)馳波.基于線電壓的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)位置傳感器換相方法J .微特電機(jī),2008,36(7:20222.8SHAO J ianwen,Nolan D,Hop ins T .A novel direct back E MF de 2tecti on f or sens orless brushless DC mot or drivesC .US A:I EEEPress,APEC 02,2002:33238.9張磊,肖偉,瞿文龍.直接檢測(cè)無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的方法J .清華大學(xué)學(xué)報(bào),2006,46(4:4532456