反電動勢無感無刷

1、基于反電動勢檢測的無感無刷電機控制（第二節(jié)）（轉載）復制鏈接本帖最后由 地瓜ing于2016-6-17 10:00 編輯第二節(jié)直接反電動勢檢測式無感無刷直流電機驅動在本節(jié)，首先回顧了一種常用的反電動勢檢測方法。然后，我們討論并 提出新奇的反電動勢檢測方.Fig.2.19 Hall sensor signals vs, the phase current.第二節(jié)直接反電動勢檢測式無感無刷直流電機驅動在本節(jié)，首先回顧了一種常用的反電動勢檢測方法。然后，我們討論并提出新奇的反電動勢檢測方案。試驗結果證明了新 式反電動勢檢測方案和無感系統(tǒng)的優(yōu)點。特別的，一種首先商業(yè)化的用于無感無刷電機驅動的廉價混合信

2、號微控制器被開 發(fā)，內嵌了檢測電路以及電機控制外設，他具有標準的8位微控制器核心。2.1 普通反電動勢檢測方案對三相無刷直流電機來說，標準的，他是用六步 120度換相模式來驅動的。在同一瞬間，只有三相中的兩相通電流。舉例來說，當A相和B相通電時，C相懸空。這個通電傳導間隔持續(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，在一個周期內總共有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：保持相內的電流與相反電動勢同相。切換時間由轉子位置決定。因為反電

3、動勢的波形由轉子位置決定，這就使在反電動勢已知的情況下確定換向時間成為可能。在Fig。2.1中,相電流與相反電動勢同相。如果過零點的相反電動勢能夠測量，我們就能夠知道什么時候切換電流。如前所述，在任一時刻，只有兩相導通電流，第三相懸空是開放的。這打開了一扇在懸空線圈檢測反電動勢的窗口。圖Fig2.2Y型連接的電機中心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.我們測量了懸空端的端電壓。這種方案需要電機中立點電壓以得到過零點的反電動勢，因為這種反電動勢電壓是以電機中這種方案比較簡單。從這種方法發(fā)明出來就一直被長期使用。但是，這種方案也有缺點PWM驅動，中立點并不是靜止的點。這點的電勢從上倒下跳動。他產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。舉例來說，如果直流總線電壓是300V,中立點的電勢能從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敏感性，尤

5、其是在需要更大敏感性的啟動階段。另一方面，需要的低通濾波器將引起一個與轉子速度 無關的固定延遲。當轉子速度增加時，這個延遲占總體時間的比例也在上升。這個延遲將阻礙電流曲線和反電動勢曲線對 齊，將在高速狀態(tài)下導致嚴重的切換問題。因此，這種方法往往具有較窄的速度區(qū)間。過去，有很多可以支持無刷直流電機的集成電路，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。同樣，他們都是模擬器件，在實際應用時缺乏 彈性。Fig2 3 Back EMF sensing based

6、on vinual neutral point在文獻中，一些其他無感無刷直流電機控制方案也有所報道。反電動勢集成法在轉子速度下具有減弱開關噪聲敏感度和在換相器切換瞬間自動適應的優(yōu)點。反電動勢集成在低速下仍然存在準確性問題。轉子位置可以由固定在定子上的三次諧波電壓組件確定。缺點是在低速情況下三次諧波電壓相對值較低。轉子位置信息由連接在未激活相的續(xù)流二極管（儲能二極管）的導通狀態(tài)決定。檢測電路相對復雜，而且在低速情況下仍然存在問題。2.2 推薦的直接反電動勢檢測方案像之前討論的那樣，在無感系統(tǒng)中，富含雜波的中立點導致了很多問題。推薦的反電動勢檢測方案試圖回避中立點電壓。如果我們采用適當?shù)?PWM策

7、略，相對于 GND的反電動勢電壓可以被直接從電機接線端的電壓中提取出來。對于無刷直流電機驅動來說，只有三相中的兩相在同一時間通電。PWM驅動信號可以在以下三種方式間改變：- 在高臂端：PWM只在高臂端的開關中應用，低臂端在這一步期間保持開狀態(tài)。- 在低臂端：PWM is被加在低臂端開關上，高臂端在這一步器件保持開狀態(tài)。- 在兩端：高臂端和低臂端一起開或關。在我們提出白方案中，PWM信號只提供給高臂開關，反電動勢在PWM關閉時間測得。Fig2.4顯示了設想的檢測電路。Fig2.4 和fig2.2的不同是在fig2.4中在信號處理時電機中立點電壓沒有被使用。假設在特定白步器件，A相和B相通電，C相

8、懸空。A相的上部開關由 PWM控制，B相的下部開關保持接通狀態(tài)。端電壓- c被測量到。Fig2.5顯示了 PWM信號的分布。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電分析當A相的上部開關閉合， 電流流經(jīng)開關到 AB的線圈。當半橋的上部晶體管關斷，電流通過二極管續(xù)流流經(jīng) A相下部開關。在此續(xù)流器件，在 C相沒有電流的情況下，端電壓 Vc在C相被檢測到產生的反電動勢。通過電路，很簡單的得到Vc=Ec+Vn , Vc是懸空端C相的端電壓，Ec是相反電動勢，Vn是電機中立點電壓。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對于B相，如果開關的前端壓降忽略，我們有:2.1和2.2相加得e +etQ3).口 b假設這是一個平衡三相系統(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勢電壓成正比的沒有疊加任何開關噪聲。同樣重要的是明白這一點，端電壓是與GND為參考的，而不是懸空中立點電壓，我們不需要擔心共模電壓。因為真正的反電動勢是從端電壓中提取的，相反電動勢過零點可以被精確的檢測到。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，因為基本波動的過零點與三次諧波的過零點伴隨，三次諧波不

11、會影響基本波形的過 零點。我們做了一些測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A的結果。Fig2.9和2.10顯示電機B的結果。兩種電機的反電動勢的波形不同。然而，兩個電機的三次諧波的過零點與基本波形重疊，也就是說三次諧波不會影響過零點的基本波形。對電機B來說，三相有點不平衡。即使在這種狀態(tài)下，基本波形和三次諧波的的過零點重疊的很好。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因此我們可以在過零點檢測中忽略三次諧波。方程 2.7是一次有效過零檢測。為了實現(xiàn)這個方案，F(xiàn)ig2.11顯示方案的端電壓波形。從這個波形看，

13、當懸空相反電動勢信號可以很容易的從端電壓中分離出來。從T1到T2,線圈一直懸空；從 T2到T3,線圈導通；從 T3到T4 ,線圈又懸空。反電動勢信號可以在PWM關斷狀態(tài)下被檢測到。如果反電動勢為負，換向器的并行二極管最小0.7V。當反電動勢為正時，其在端電壓中顯示出來。在T1到T2期間，過零點的上升沿被檢測到；在 t3到T4器件，過零點的下降沿被檢測到。削EUFEWFZctw Cr。計Floating periixJ卜 kxiting periodl nndutliiiw perkwlT4Fig.2. 11 Phase Icnninal voltage and I he back EMF wa

14、veform爐 -r-'H總的來說，反電動勢檢測技術具有很多優(yōu)點:# 高敏感度。首先，因為我們不使用分壓電路，電路沒有什么技減。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關斷器件期間的反電動勢采樣。同步采樣可以比較簡單的去除切換雜波。第三，因為反電動勢以GNd為參照，共模電壓最小。# 由于沒有濾波電路，對高速運轉狀態(tài)比較有利。# 這種就愛你測方法可以比較容易的用在高電壓和低電壓系統(tǒng)中，不用在衡量電壓時過分投入。# 因為過零點的反電動勢檢測是沒有衰減的。# 他比較容易實現(xiàn)，后續(xù)部分會講到。2.3 提出的反電動勢檢測方案的硬件實現(xiàn)開發(fā)同步采樣電路用于檢測反電動

15、勢過零點。最近幾年，隨著混合信號IC技術，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)可編程存儲器和其他外設可以被植入單個芯片。SOC器件有很多優(yōu)點，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)成為近二十年來嵌入式控制系統(tǒng)的主流。我們可以以較低的價格得到這些器件；指令集更加易用。因此，反電動勢檢測電路被嵌入到了標準ST7家族微控制器核心中，使其成為一種廉價的專用的無感無刷直流電機微控制器。首先，讓我們看一下反電動勢過零點同步檢測的具體實現(xiàn)。Fig2.12顯示了反電動勢過零檢測的硬件實現(xiàn)。反電動勢信號通過一個多路復用器，控制器依據(jù)電機換相階段選擇哪

16、一路輸入成為被檢測對象。因為只有過零點是我們感興趣的，最高電壓被二極管鉗制在5V,從而保持電壓在檢測器放大器的量程范圍內。選擇的信號與固定的接近于0的參考電壓做比較。在關閉時間，反電動勢被與參考電壓做比較。在 PWM的上升沿，在PWM打開的初期，也就是關斷的末期，將閉鎖比較器輸出以捕獲過零點信息。Phase CPhase 門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一個廉價的八位微控制器ST72141來實現(xiàn)的，它是一

17、種無感無刷直流電機驅動專用芯片。圖Fig2.13顯示了該器件的框圖。芯片劃分成四個主要部分。X反電動勢過零檢測器是一個同步采樣電路x延遲管理器是一個計時器和 8X8位硬件多路復用控制從過零點到換向的適當延遲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信號到正確的開關用于 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-無感無刷直流電機驅動系統(tǒng)的原理圖如Fig2.14所示。電機中斷電壓直接通過限流電阻接給微控制器。對于不同電壓的應用，我們需要調節(jié)電阻值以設定相應的注入電流。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)化的專用無感無刷直流電機驅動芯片。相

19、比其他模擬芯片來說， 這種新型的微控制器擁有廉價、可靠、<jlTIM: K 1彈性大、智能等優(yōu)點，我們將在隨后的自動燃料泵應用中舉例說明。換向算法用的是標準的無刷直流電機控制算法。在反電動勢過零后，再過 30電角度開始換向。感謝這種可編程微控制器，這個系統(tǒng)擁有更大彈性，電機在開環(huán)速度或閉環(huán)速度下運行，取決于應用。而且也更加方便適應控制參數(shù)。舉例來說，過零點和換向之間的延遲能夠很容易的用軟件來調節(jié)。通常，相反電動勢過零到換向的延遲是30電角度，這樣可以保證反電動勢和電流保持同相。對很多高速應用來說，換向可以在域效果下完成，以擴展速度范圍。在硬件核心中的延時管理單 元可以通過軟件來調節(jié)延遲。

20、2.4 關鍵實驗波形無感無刷直流電機驅動已經(jīng)成功應用到很多家庭電器當中，空氣排風機，真空吸塵器和自動燃料泵和高壓交流供電等。一下波形顯示了很多無感無刷直流電機驅動系統(tǒng)的關鍵操作波形。Fig2.15顯示了松開端電壓和反電動勢波形。在PWM關閉時期，懸空相的反電動勢從懸空端電壓中被提取出來。F it? 2 1 5 luTininjI wllae and back-I MbFig2.16顯示了三相端電壓，反電動勢，過零點信號。過零信號的每個觸發(fā)沿都與過零點的反電動勢一致。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顯示了在電機低像之前描述的那樣，即使在低速條件下，反電動勢的幅值較低，過零點檢測也有很好的分辨率。速條件下，反電動勢和過零點信號的波形。即使