CN101364781A - 无滤波器的宽调速范围无刷直流电机无位置传感器控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无滤波器的宽调速范围无刷直流电机无位置传感器控制装置。它包括直流电源、三相逆变器、无刷直流电机、转子位置检测电路、微控制器和三相逆变器功率器件驱动电路。直流电源经一个电源电压调节单元和三相逆变器连接无刷直流电机，连接无刷直流电机的转子位置检测电路输出信号直接连接至微控制器的模数转换输入引脚；微控制器的PWM输出信号经过一个电源电压调节单元功率器件驱动电路连接至电源电压调节单元。通过对其功率开关VT₇的PWM斩波控制，实现对无刷直流电机的转速控制；微控制器输出六路换相控制信号，经三相逆变器功率器件驱动电路连接至三相逆变器，对无刷直流电机实现换相控制。本发明提高了无刷直流电机反电势检测的精确性，并使系统简化和降低成本。

Description

无滤波器的宽调速范围无刷直流电机无位置传感器控制装置

技术领域：

本发明涉及一种无刷直流电机无位置传感器控制装置，特别是一种无滤波器的宽调速范围无刷直流电机无位置传感器控制装置。

背景技术：

在常规无刷直流电机无位置传感器控制装置中，通常利用检测电机断开相绕组端电压来间接获得反电势信号的方法来获得电机转子位置信号，其具有结构简单、成本低、实现方便等特点，在工业实践中获得了广泛的应用。常规无刷直流电机无位置传感器控制装置结构如图1所示，其主电路如图2所示，其中VT₁～VT₆构成桥式逆变电路2；A、B、C分别为无刷直流电机三相绕组3。在实际调速运行时，常规调速方案通过对逆变器功率开关器件进行高频PWM调制实现电机的调压调速控制，因此信号中除反电势分量外还包含由PWM调制引入的丰富高频噪声。为实现反电势的精确检测，通常采用滤波器5对反馈信号进行滤波处理。但随电机转速变化，滤波器5对反电势反馈信号造成的相移也不同，该相移是电机转速的函数。上述相移会导致电机出力降低、系统运行时性能恶化的结果，严重时可能导致电机失步。为消除由于滤波器5带来的反馈信号相移，通常需要增加相位校正器6来实现相移补偿，而且还需增加一个模拟比较器8，这增加了系统的复杂度，从而导致控制系统软硬件上的开销。近年来也出现许多对传统反电势检测的改进策略，能忽略PWM调制的影响而直接得到反电势过零点。这些检测方法共有的缺陷是：由于低速运行时反电势信号幅值较为微弱，加上PWM调制的影响，难以实现反电势过零点的精确检测，导致无刷直流电机无位置传感器控制系统的低速运行范围和性能不够理想，也严重限制了无刷直流电机无位置传感器控制系统在上述领域的应用推广。

发明内容：

本发明的目的在于，针对上述问题提供一种无滤波器的宽调速无刷直流电机无位置传感器控制装置，能够提高无刷直流电机反电势检测精确性，并使系统简化，降低系统成本。为达到上述目的，本发明的构思是：在常规逆变器的拓扑结构基础上加入一个直流侧电源电压调节单元。通过对该单元中的功率开关VT₇进行PWM斩波控制实现无刷直流电机的调压调速控制。常规逆变器的功率开关只用于无刷直流电机的换相控制，不再进行PWM调制。无滤波器无刷直流电机无位置传感器控制装置结构如图3和图4所示：其中VT₁～VT₆构成桥式逆变电路；VT₇和电解电容C构成电源电压调节单元；A、B、C分别为无刷直流电机三相绕组。

下面首先对常规无刷直流电机无位置传感器控制系统中，在PWM调制模式下(在120度电角度的导通时间里，三相逆变器上管调制，下管恒通)的电路状态进行分析，得到断开相端电压波形的组成，从而说明传统的利用端电压间接获得反电势过零点的传统无刷直流电机转子位置检测方法的原理，以及本发明专利所涉及的无刷直流电机转子位置检测方法的原理。

无刷直流电机三相电压平衡方程为：

式中R为电机绕组相电阻，U_A，U_B，U_C为端电压，i_A，i_B，i_C分别为无刷直流电机A，B，C三相的相电流，E_A，E_B，E_C分别为无刷直流电机A，B，C三相绕组的反电动势，V_n为电机中心点电压。

在PWM调制模式中，假设无刷直流电机的反电势波形为理想的梯形波，忽略电枢反应的影响，忽略二极管和开关管的导通压降。在PWM开通和关断情况下，有如下两种工作状态：

当VT₁，VT₄同时导通时，即PWM开通时刻：

因为A，B两相电流和反电势大小相等，方向相反，将i_A＝-i_B，E_A＝-E_B代入上式可得结论(1)：

当VT₁关断，VT₄导通，即PWM关断时刻，电流通过VT₁续流二极管续流：

可得结论(2)：

  V_n＝0

结论(1)(2)清楚地表明断开相绕组的端电压幅值受PWM调制的具体影响。从图5和图6中可见该包含反电势信息的反馈信号中还包含着丰富的高频干扰。为了消除PWM斩调制带来的影响，传统无位置传感器控制方法通过对端电压信号进行滤波来消除高频开关噪声以取得反电势过零点。这种方法的缺点在于滤波器的使用会带来与转速相关的相位延时，从而需要进行相位补偿，这样使控制系统趋于复杂。

本发明所提出了无滤波器的无刷直流电机无位置传感器控制系统是在常规无刷直流电机无位置传感器控制系统的主电路拓扑结构基础上加入一个直流侧电源电压调节单元。通过对该单元中的功率开关VT₇进行高频PWM斩波控制从而实现无刷直流电机的调压调速控制。功率开关VT₇斩波处理后的高频脉冲信号经过电解电容C滤波处理后仍将为连续且幅值与功率开关VT₇ PWM控制信号的占空比具有一定比例关系的直流电压。直流侧电容逆变器中的功率开关VT₁～VT₆只用于无刷直流电机的换相控制，不再进行PWM斩波调制。由于逆变器中的功率开关器件只负责无刷直流电机的换相控制，即相当于无刷直流电机运行于PWM恒开通时刻，断开相端电压波形始终处于结论(1)的状态，此时的端电压波形如图7所示。因此实际运行中断开相绕组的反电势反馈信号(端电压波形)不再由于受到PWM调制的影响而包含丰富的高频噪声，从而可实现精确的反电势检测，自然也就省去了滤波器。即使当无刷直流电机运行于较低的转速下都能获得准确的转子位置，从而大大提高了无刷直流电机无位置控制系统的低速运行范围和性能。

根据上述的发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种无滤波器的宽调速范围无刷直流电机无位置传感器控制装置，包括直流电源1、三相逆变器2、无刷直流电机3、转子位置检测电路4、微控制器8和三相逆变器功率器件驱动电路9，其特征在于：直流电源1经一个电源电压调节单元11和三相逆变器2连接无刷直流电机3；转子位置检测电路4连接无刷直流电机3进行检测后输出的信号直接连接至微控制器8的模数转换输入引脚；微控制器8的一路输出经一个电源电压调节单元功率器件驱动电路10连接至电源电压调节单元11，另一路输出经三相逆变器功率器件驱动电路9连接至三相逆变器2。

上述的电源电压调节单元11由一个功率开关器件VT₇和一个电解电容C组成。功率开关器件的D极连接直流电源的正极，S极连接电解电容C的正极和三相逆变器2的正极，G极连接电源电压调节单元功率器件驱动电路10的输出口；电解电容C的负极接地。

上述的电源电压调节单元功率器件驱动电路10采用IR2117型芯片，其HO引脚连接电源电压调节单元11，IN引脚连接微控制器8。

上述微控制器8采用XC866型微控制器，其AN0、AN1和AN2引脚连接转子位置检测电路4，COUT63引脚连接电源电压调节单元功率器件驱动电路10，而CC60、COUT60、CC61、COUT61、CC62和COUT62引脚连接三相逆变器功率器件驱动电路9。

上述的三相逆变器功率器件驱动电路9采用IR2136，其HIN1、LIN1、HIN2、LIN2、HIN3和LIN3引脚连接微控制器8，而HO1、LO1、HO2、LO2、HO3和LO3引脚连接到三相逆变器2。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：本发明的微控制器PWM信号输出经IR2117芯片放大后驱动功率开关器件VT₇，通过对功率开关VT₇的PWM斩波控制实现无刷直流电机绕组的电压调节，从而实现转速控制。微控制器输出六路换相控制信号经IR2136芯片放大后驱动三相逆变器，只用于无刷直流电机的换相控制，不再进行PWM调制。转子位置检测电路的输出信号直接连接至微控制器的模数转换输入引脚，省却了低通滤波器和模拟比较器环节。本发明的优点是：1.大大提高了无刷直流电机反电势检测的精确性。即使在低速运行时也可获得较为准确的转子位置，从而有效扩展了无刷直流电机无位置传感器控制系统的低速运行范围和性能。2.由于省却了用于反电势信号滤波的低通滤波器，从而消除了由于相位失真需要进行相位补偿而导致的系统软硬件开销，使得控制系统更为简化。3.利用微处理器内嵌的模数转换单元对断开绕组反电势进行采样，然后用软件实现反电势过零点的判断，得到转子位置信息，使得对外围电路的需求降到最低(无需滤波器电路和模拟比较器)，进一步降低系统成本。

附图说明：

图1是已有技术的无刷直流电机无位置传感器控制装置结构框图。

图2是已有技术的无刷直流电机无位置传感器控制装置的主电路图。

图3是本发明一个实施例的结构框图。

图4是图3示例的电路原理图。

图5是已有技术的三相逆变器功率开关器件采用PWM调制模式的绕组端电压的理论分析波形图

图6是已有技术的三相逆变器功率开关器件采用PWM调制模式的绕组端电压的实际测量波形图。

图7是应用图3示例控制装置的端电压波形图。

具体实施方式：

本发明的优选实施例结合附图说明如下：参见图3，本无滤波器的宽调速范围无刷直流电机无位置传感器控制装置包含有直流电源1、三相逆变器2、无刷直流电机3、转子位置检测电路4、微控制器8和三相逆变器功率器件驱动电路9。直流电源1经一个电源电压调节单元11和三相逆变器2连接无刷直流电机3；转子位置检测电路4连接无刷直流电机进行检测后，输出的信号直接连接至微控制器8的模数转换输入引脚；微控制器8的一路输出经一个电源电压调节单元功率器件驱动电路10连接至电源电压调节单元11，另一路输出经三相逆变器功率器件驱动电路9连接至三相逆变器2。

参见图4，电源电压调节单元11由一个功率开关器件VT₇和一个电解电容C组成，功率开关器件的D极连接直流电源的正极，S极连接电解电容C的正极和三相逆变器2的正极，G极连接电源电压调节单元功率器件驱动电路10的输出口；电解电容C的负极接地。上述电源电压调节单元功率器件驱动电路10采用IR2117型芯片，微控制器8采用XC866型微控制器，三相逆变器功率器件驱动电路9采用IR2136型芯片。下面参照附图对本发明专利的具体实施方式进行详细说明。本发明装置结构如图4所示，系统核心是英飞凌公司的专用电机控制芯片XC866。该芯片拥有一个电机控制外设CCU6(比较捕获模块)，CC60，CC61，CC62，COUT60，COUT61，COUT62分别为用于控制无刷直流电机的六路换相控制输出引脚，其输出信号为0～5V的电平信号。上述换相控制输出引脚分别与三相功率驱动芯片IR2136的输入引脚HIN1，LIN1，HIN2，LIN2，HIN3，LIN3连接。其输出信号经IR2136功率放大为0～15V的电平信号，最终通过输出引脚HO1，LO1，HO2，LO2，HO3，LO3输出，可直接对六个功率开关VT₁～VT₆进行功率驱动。将COUT63引脚作为直流侧电压斩波控制PWM信号的输出引脚。其输出信号为0～5V的PWM脉冲信号。该信号与单路功率驱动芯片IR2117的输入引脚IN连接，经其放大为0～15V的电平信号并由HO引脚输出，实现对功率开关VT7的斩波调节。转子位置检测电路由一个分压电阻网络组成，其与电机三相引出线。将无刷直流电机的端电压信号进行分压后与微控制器XC866的模数转换输入引脚AN₀～AN₂连接。

当系统启动后，微控制器XC866中的模数转换通道对电机断开相绕组的端电压、直流侧电压进行检测，然后将端电压与直流侧电压的一半进行比较，获得反电势过零时刻(同时获得电机实际转速用于调速控制)，再延时30度电角度所对应的时间由微控制器控制逆变器进行换相。换相后模数转换通道继续对电机断开相的反电势和直流侧电压的一半进行采样比较以获得下一次的换相时刻，如此反复得以实现无刷直流电机的持续运行。调速则主要依靠功率开关器件VT7调节逆变器直流侧电压来实现。

Claims (5)

1.一种无滤波器的宽调速范围无刷直流电机无位置传感器控制装置，包括直流电源

(1)、三相逆变器(2)、无刷直流电机(3)、转子位置检测电路(4)、微控制器(8)和三相逆变器功率器件驱动电路(9)，其特征在于：

a.所述直流电源(1)经一个电源电压调节单元(11)和所述三相逆变器(2)连接所述无刷直流电机(3)；

b.所述转子位置检测电路(4)连接无刷直流电机(3)进行检测后输出的信号直接连接至所述微控制器(8)的模数转换输入引脚；

c.所述微控制器(8)的一路输出经一个电源电压调节单元功率器件驱动电路(10)连接至所述电源电压调节单元(11)，另一路输出经所述三相逆变器功率器件驱动电路(9)连接至所述三相逆变器(2)。

2.根据权利要求1所述的无滤波器的宽调速范围无刷直流电机无位置传感器控制装置，其特征在于所述电源电压调节单元(11)由一个功率开关器件VT₇和一个电解电容C组成，所述功率开关器件的D极连接直流电源的正极，S极连接所述电解电容C的正极和所述三相逆变器(2)的正极，G极连接所述电源电压调节单元功率器件驱动电路(10)的输出口；所述电解电容C的负极接地。

3.根据权利要求1所述的无滤波器的宽调速范围无刷直流电机无位置传感器控制装置，其特征在于所述电源电压调节单元功率器件驱动电路(10)采用IR2117型芯片，其HO引脚连接所述电源电压调节单元(11)，IN引脚连接所述微控制器(8)。

4.根据权利要求1所述的无滤波器的宽调速范围无刷直流电机无位置传感器控制装置，其特征在于所述微控制器(8)采用XC866型微控制器，其AN0、AN1和AN2引脚连接所述转子位置检测电路(4)，COUT63引脚连接所述电源电压调节单元功率器件驱动电路(10)，而CC60、COUT60、CC61、COUT61、CC62和COUT62引脚连接所述三相逆变器功率器件驱动电路(9)。

5.根据权利要求1所述的无滤波器的宽调速范围无刷直流电机无位置传感器控制装置，其特征在于所述三相逆变器功率器件驱动电路(9)采用IR2136型芯片，其HIN1、LIN1、HIN2、LIN2、HIN3和LIN3引脚连接所述微控制器(8)，而HO1、LO1、HO2、LO2、HO3和LO3引脚连接到所述三相逆变器(2)。

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