專利名稱：寬調(diào)速范圍無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制裝置及方法，特別是一種具有低成本特點(diǎn)且可以有效提高位置檢測精度、實(shí)現(xiàn)寬調(diào)速范圍的無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制裝置及方法。
背景技術(shù)：
目前，無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制采用的常規(guī)方法是反電勢過零點(diǎn)檢測法。 這種檢測方法主要應(yīng)用在兩兩導(dǎo)通、三相六狀態(tài)的方波無刷直流電機(jī)中。其工作原理為 由于無刷直流電機(jī)未導(dǎo)通相的反電勢在一個(gè)周期內(nèi)都存在兩次過零點(diǎn)，并且每個(gè)過零點(diǎn)都超前下次換相點(diǎn)30°電角度。因此，只要檢測出電機(jī)未導(dǎo)通相繞組中的每個(gè)過零點(diǎn)，再延遲30°電角度，就可以得到下次換相點(diǎn)的時(shí)刻，從而實(shí)現(xiàn)無位置傳感器控制。但是，傳統(tǒng)的反電勢過零點(diǎn)檢測法存在以下缺陷首先，低速時(shí)反電勢采樣信號幅值較小，現(xiàn)有方法難以實(shí)現(xiàn)反電勢過零點(diǎn)的精確檢測，導(dǎo)致無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)的低速運(yùn)行性能不理想，無法實(shí)現(xiàn)寬調(diào)速范圍，限制了現(xiàn)有無位置傳感器控制技術(shù)的應(yīng)用范圍。其次，如圖3所示由于受到調(diào)速運(yùn)行時(shí)脈寬調(diào)制影響，現(xiàn)有方法中的反電勢采樣信號包含豐富的高頻干擾，導(dǎo)致位置檢測精度不高，影響了調(diào)速性能。第三、現(xiàn)有方法大都采用端電壓與重構(gòu)的電機(jī)中心點(diǎn)相比較以間接得到反電勢過零點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)方法通常采用模擬比較器和相關(guān)外圍硬件電路來實(shí)現(xiàn)，從而增加了系統(tǒng)的成本。上述原因嚴(yán)重限制了無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)的應(yīng)用推廣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對已有技術(shù)存在的缺陷，提出一種寬調(diào)速范圍的無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制裝置及方法，從而有效提高低速運(yùn)行時(shí)反電勢的檢測精度，實(shí)現(xiàn)寬調(diào)速范圍運(yùn)行。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思如下通過微控制器的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道對電機(jī)三相繞組的端電壓進(jìn)行采樣。利用基于壓差轉(zhuǎn)換的信號處理算法對三相繞組的端電壓采樣信號進(jìn)行處理，得到包含斷開相反電勢信息且幅值為斷開相反電勢幅值兩倍的反饋信號， 并使之與零電位進(jìn)行比較，兩者值相等的時(shí)刻視為獲得反電勢過零點(diǎn)的時(shí)刻，以此作為電機(jī)繞組換相的依據(jù)來實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制以省卻傳感器的費(fèi)用。采用具有良好性價(jià)比的微控制器用軟件方法判斷反電勢過零點(diǎn)，結(jié)合兩相導(dǎo)通的功率管同時(shí)進(jìn)行 PWM斬波控制的調(diào)制模式，包含斷開相反電勢信息的采樣信號將不受脈寬調(diào)制干擾的影響 (如圖4所示)，過零點(diǎn)處波形光滑、清晰，進(jìn)一步提高了本發(fā)明裝置和方法的運(yùn)行性能和可靠性。同時(shí)無需像傳統(tǒng)方法通過對端電壓信號進(jìn)行濾波來消除高頻開關(guān)噪聲以取得反電勢過零點(diǎn)，從而省卻濾波器電路和模擬比較器，最大地簡化系統(tǒng)的外圍電路，達(dá)到降低系統(tǒng)成本的目的。基于壓差轉(zhuǎn)換方法的信號處理算法具體描述為利用微控制器的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道實(shí)時(shí)采樣電機(jī)三相繞組的端電壓值，通過軟件算法分別計(jì)算相序超前(相對于斷開相繞組) 的繞組端電壓和斷開相繞組端電壓之間的電壓差Ul和斷開相繞組端電壓與相序滯后(相對于斷開相繞組)的繞組端電壓之間的電壓差U2。Ul和U2之間的電壓差U即為包含斷開相繞組反電勢信息的反饋信號。根據(jù)電機(jī)學(xué)原理可知，其幅值為實(shí)際斷開相反電勢幅值的兩倍，且過零點(diǎn)時(shí)刻相同；
根據(jù)上述的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案
一種寬調(diào)速范圍的無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制裝置，包括直流電源、三相逆變器、 無刷直流電機(jī)、三相逆變器功率器件驅(qū)動電路、微控制器和轉(zhuǎn)子位置檢測電路，其特征在于直流電源經(jīng)三相逆變器和無刷直流電機(jī)連接；轉(zhuǎn)子位置檢測電路連接無刷直流電機(jī)進(jìn)行檢測后輸出的信號直接連接至微控制器的模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入引腳；微控制器的六路輸出經(jīng)三相逆變器功率器件驅(qū)動電路連接至三相逆變器。上述三相逆變器功率器件驅(qū)動電路采用 IR2136，其 HIN1、LIN1、HIN2、LIN2、HIN3 和 LIN3 引腳連接微控制器，而 HOI、VS1、L01、H02、 VS2、L02、H03、VS3和L03引腳連接到三相逆變器。上述微控制器采用英飛凌公司的專用電機(jī)控制芯片)(C878，其AN0、AN1和AN2引腳連接轉(zhuǎn)子位置檢測電路，CC60、C0UT60、CC61、 C0UT61、CC62和C0UT62引腳連接三相逆變器功率器件驅(qū)動電路。上述轉(zhuǎn)子位置檢測電路由一個(gè)分壓電阻網(wǎng)絡(luò)組成。采用上述無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制裝置進(jìn)行控制的方法是首先利用 XC878型單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器T12
周期-匹配中斷(定時(shí)器T12的周期值！^為60。電角度對應(yīng)的時(shí)間)進(jìn)行換相控制，并更新 PWM占空比的值；接著啟動單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC采樣三相繞組的端電壓，利用產(chǎn)生PWM 信號的定時(shí)器Ti3的周期-匹配中斷觸發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換；單片機(jī)將采樣值經(jīng)過基于壓差轉(zhuǎn)換的信號處理方法處理，得到的反饋值π與零電位進(jìn)行比較，二者值相等的時(shí)刻為獲得反電勢過零點(diǎn)的時(shí)刻，此時(shí)記錄下從換相到反電勢過零點(diǎn)所經(jīng)歷的電角度對應(yīng)的時(shí)間T ；以
-和當(dāng)前換相周期·^為依據(jù)，將下一個(gè)換相周期更新為fj ；· +TV ,以響應(yīng)速度的變化；即
I1I2
當(dāng)反電勢逐漸降低時(shí)，如果U >0，則繼續(xù)采樣比較，當(dāng) <0的瞬間，記下此時(shí)定時(shí)器T12 的計(jì)數(shù)值T2 ,T2為從上一次換相到反電勢過零點(diǎn)所經(jīng)歷的30°電角度對應(yīng)的時(shí)間，反電勢逐漸增加的情況與之類似，只不過IJ從小于0變?yōu)榇笥? ；最后將定時(shí)器T12的周期值更新
為(1 + ),即更新電機(jī)的換相周期，以響應(yīng)速度的變化；重復(fù)以上過程，得以實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制。上述的基于壓差轉(zhuǎn)換的信號處理方法為通過微控制器的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道對電機(jī)三相繞組的端電壓進(jìn)行采樣；利用電機(jī)三相繞組的端電壓采樣值，分別計(jì)算相序相對于斷開
相超前相的繞組端電壓UP+1和斷開相繞組端電壓uP之間的電位差U1以及斷開相繞組
端電壓UjP與相序相對于斷開相滯后相的繞組端電壓之間的電位差Uj ,計(jì)算公式分
別如式(1)和(2)所示；然后計(jì)算t/j和巧之間的電位差t/,計(jì)算公式如式(3)所亍”即為經(jīng)壓差轉(zhuǎn)換方法處理后包含反電勢信息的反饋信號，其幅值為實(shí)際斷開相反電勢幅值的兩倍，且過零點(diǎn)時(shí)刻相同；
權(quán)利要求
1.一種寬調(diào)速范圍無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制裝置，包括直流電源(1)、三相逆變器(2)、無刷直流電機(jī)(3)、三相逆變器功率器件驅(qū)動電路(4)、微控制器(5)和轉(zhuǎn)子位置檢測電路(6)，其特征在于所述直流電源(1)經(jīng)所述三相逆變器(2)與所述無刷直流電機(jī) (3 )連接；所述轉(zhuǎn)子位置檢測電路(6 )連接所述無刷直流電機(jī)(3 )進(jìn)行檢測后輸出的信號直接連接至所述微控制器(5)的模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入引腳；所述微控制器(5)的六路輸出經(jīng)所述三相逆變器功率器件驅(qū)動電路(4)連接至所述三相逆變器(2)；所述三相逆變器功率器件驅(qū)動電路(4)采用頂2136型三相功率驅(qū)動器，其Him、LINl、 HIN2、LIN2、HIN3 和 LIN3 引腳連接微控制器(5)，HOI、VS1、L01、H02、VS2、L02、H03、VS3 和 L03引腳連接到三相逆變器(2);所述微控制器(5)采用XC878型單片機(jī)，其AMKANl和AN2 引腳連接轉(zhuǎn)子位置檢測電路(6)，CC60、C0UT60、CC61、C0UT61、CC62和C0UT62引腳連接三相逆變器功率器件驅(qū)動電路(4)；所述轉(zhuǎn)子位置檢測電路(6)由一個(gè)分壓電阻網(wǎng)絡(luò)組成；功率逆變器采用兩兩導(dǎo)通的6拍工作模式，兩管導(dǎo)通時(shí)全部采用PWM斬波控制方式。
2 一種寬調(diào)速范圍無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制方法，采用根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬調(diào)速范圍無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制裝置進(jìn)行控制，其特征在于控制步驟如下由微控制器)(C878中的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道對電機(jī)三相繞組的端電壓進(jìn)行采樣，用基于壓差轉(zhuǎn)換方法的信號處理算法對三相繞組的端電壓采樣信號進(jìn)行處理，得到含有斷開相反電勢信息且幅值為實(shí)際反電勢幅值兩倍的反饋信號，并使之與零電位進(jìn)行比較，兩者值相等的時(shí)刻視為獲得反電勢過零點(diǎn)的時(shí)刻，以此作為電機(jī)繞組換相的依據(jù)來實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制；具體步驟如下首先進(jìn)行換相；接著啟動)(C878單片機(jī)內(nèi)嵌的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元采樣三相繞組的端電壓；然后單片機(jī)將采樣值經(jīng)過基于壓差轉(zhuǎn)換的信號處理方法進(jìn)行處理， 得到的反饋值U與零電位進(jìn)行比較，二者值相等的時(shí)刻為獲得反電勢過零點(diǎn)的時(shí)刻，此時(shí)記錄下從換相到反電勢過零點(diǎn)所經(jīng)歷的30°電角度對應(yīng)的時(shí)間-；以-和當(dāng)前換相周期^為依據(jù)，將下一個(gè)換相周期更新為if巧+T),以響應(yīng)速度的變化；重復(fù)以上過程，得以實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的寬調(diào)速范圍無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制方法，其特征在于所述基于壓差轉(zhuǎn)換的信號處理方法為通過微控制器的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道對電機(jī)三相繞組的端電壓進(jìn)行采樣；利用電機(jī)三相繞組的端電壓采樣值，分別計(jì)算相序相對于斷開相超前相的繞組端電壓J和斷開相繞組端電壓Bp之間的電位差U以及斷開相繞組端電壓Up與相序相對于斷開相滯后相的繞組端電之間的電位差,計(jì)算公式分別如式(1)和(2)所示；然后計(jì)算之間的電位差7 ,計(jì)算公式如式(3)所示 ’ U即力經(jīng)壓差轉(zhuǎn)換方法處理后包含反電勢信息的反饋信號，其幅值為實(shí)際斷開相反電勢幅值的兩倍，且過零點(diǎn)時(shí)刻相同； U1 = Up+1-Up (1)U2 = Up - UP_J (2)U = U1-U2(3)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種寬調(diào)速范圍無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制裝置及方法。本裝置包括直流電源、三相逆變器、無刷直流電機(jī)、三相逆變器功率器件驅(qū)動電路、微控制器和轉(zhuǎn)子位置檢測電路。直流電源經(jīng)三相逆變器與無刷直流電機(jī)連接；轉(zhuǎn)子位置檢測電路連接無刷直流電機(jī)進(jìn)行檢測后輸出的信號直接連接至微控制器的模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入引腳；微控制器的六路輸出經(jīng)三相逆變器功率器件驅(qū)動電路連接至三相逆變器。本方法利用XC878單片機(jī)內(nèi)嵌的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元采樣得到電機(jī)三相繞組的端電壓，用基于壓差轉(zhuǎn)換的信號處理方法對采樣值進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算處理，得到含有斷開相反電勢信息且幅值為實(shí)際反電勢幅值兩倍的反饋信號，獲取反電勢過零點(diǎn)作為電機(jī)繞組換相的依據(jù)，從而提高了低速運(yùn)行時(shí)反電勢過零點(diǎn)的檢測精度，達(dá)到寬調(diào)速范圍運(yùn)行的目的。
文檔編號H02P7/29GK102545749SQ20121000281
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月6日
發(fā)明者付江波, 崔巍, 苗會彬, 駱苗 申請人:上海大學(xué)