CN101557187B - 无刷直流电机无位置传感器控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于12拍控制的无刷直流电机无位置传感器控制装置及方法。本装置包括直流电源、三相逆变器、无刷直流电机、三相逆变器功率器件驱动电路、微控制器和转子位置检测电路。直流电源经三相逆变器与无刷直流电机连接；转子位置检测电路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的模数转换输入引脚；微控制器的六路输出经三相逆变器功率器件驱动电路连接至三相逆变器。本方法利用XC866单片机内嵌的模数转换单元，在PWM开通时刻检测两管导通区间内非导通相绕组的端电压，获取反电势过零点来作为12拍换相的依据，从而降低了所采用无刷直流电机无位置传感器控制装置对外围电路的需求，达到既有效抑制电磁转矩脉动，又降低系统成本的目的。

Description

无刷直流电机无位置传感器控制装置及方法

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及方法，特别是一种成本低廉的、能够有效抑制电磁转矩脉动的无刷直流电机无位置传感器控制装置及方法。

背景技术：

目前，控制无刷直流电动机采用的常规方法是120°导通型三相六状态方波驱动法。这种方法通常采用3个霍尔元件作位置传感器，在360°电角度内进行6个换相步，算法简单，驱动控制电路也较简单，因此成本低廉，适合众多大量应用的场合。但这种方法存在的突出缺点是绕组电流含有丰富的谐波，使电磁转矩脉动大，导致电动机运行的平稳性变差，振动和噪声增大，无法适应一些对精度和稳定性要求稍高的应用场合。采用正弦波电流驱动法是解决转矩脉动问题的一种有效方法。但是传统的正弦波电流驱动法，如三相电流跟踪法、i_d，i_q型矢量控制法等，除控制算法复杂，还需要价格昂贵的光电编码器等位置传感器来获取连续的转子位置信号，从而增加了系统的体积和成本，而对于家电等消费类产品，成本是一个很重要的制约因素。因此，传统无刷直流电动机控制方法存在的缺陷是：实现方便、成本低廉的120°导通型方波驱动法无法应用于高性能场合，而适用于高性能场合的正弦波电流驱动法却又成本太高，从而寻找一种既能有效抑制电磁转矩脉动，又能降低成本的无刷直流电动机控制方案，就具有十分重要的理论和现实意义。近几年来，出现了一种新型的无刷直流电动机12拍控制法，即采用两管与三管交替导通、三相12状态的150°导通方式，使无刷直流电机的相电流波形接近正弦波来减小电磁转矩脉动。这种12拍控制法除能有效减小转矩脉动外，控制算法也很简单，但通常需要霍尔位置传感器来获取12个转子位置信号，从而增加了系统的体积和成本。若能够采用无位置传感器控制方式来实现这种12拍控制，就能达到既减小转矩脉动，又降低成本的目的。

发明内容：

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提出一种无刷直流电机无位置传感器控制装置及方法，从而有效抑制电磁转矩脉动，并降低系统成本。为达到上述目的，本发明的构思如下：图1给出12拍控制法的控制示意图，其中，e_a，e_b，e_c为三相反电动势，i_a，i_b，i_c为三相电流，在一个360°电角度周期(-15°～345°)内共有12个换相步，依次为：C⁺B^-、C⁺A⁺B^-、A⁺B^-、A⁺B^-C^-、A⁺C^-、A⁺B⁺C^-、B⁺C^-、B⁺A^-C^-、B⁺A^-、B⁺C⁺A^-、C⁺A^-、C⁺A^-B^-(“+”号表示一相上管导通，“-”号表示一相下管导通)。可见，其中的6个奇数换相步为两管导通方式，而6个偶数换相步为三管导通方式。由于在6个两管导通区间内，每区间均对应一相反电势过零点，因此，可以通过检测此状态下非导通相反电势过零点来获取转子位置信息进行换相，从而实现无刷直流电机的无位置传感器控制以省却传感器的费用，并采用性价比良好的微控制器用软件方法判断反电势过零点，即在PWM开通时刻检测非导通相绕组的端电压，将其与直流侧电压的一半进行比较，二者值相等的时刻为获得反电势过零点的时刻，无需像传统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，从而省却滤波器电路和模拟比较器，最大地简化系统的外围电路，达到降低系统成本的目的。

根据上述的发明构思，本发明采用下述技术方案：

本发明的无刷直流电机无位置传感器控制装置，包括直流电源、三相逆变器、无刷直流电机、三相逆变器功率器件驱动电路、微控制器和转子位置检测电路，其特征在于：直流电源经三相逆变器和无刷直流电机连接；转子位置检测电路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的模数转换输入引脚；微控制器的六路输出经三相逆变器功率器件驱动电路连接至三相逆变器。上述三相逆变器功率器件驱动电路采用IR2130，其HIN1、LIN1、HIN2、LIN2、HIN3和LIN3引脚连接微控制器，而HO1、VS1、LO1、HO2、VS2、LO2、HO3、VS3和LO3引脚连接到三相逆变器。上述微控制器采用英飞凌公司的专用电机控制芯片XC866，其AN0、AN1和AN2引脚连接转子位置检测电路，CC60、COUT60、CC61、COUT61、CC62和COUT62引脚连接三相逆变器功率器件驱动电路。上述转子位置检测电路由一个分压电阻网络组成。

采用上述无刷直流电机无位置传感器控制装置进行控制的方法是：首先进行偶数步换相；然后延时30°电角度进行奇数步换相；接着启动XC866单片机内嵌的模数转换单元，在PWM开通时刻检测非导通相绕组的端电压，将其与直流侧电压的一半进行比较，二者值相等的时刻为获得反电势过零点的时刻，此时记录下从偶数步换相到反电势过零点所经历的45°电角度对应的时间T，以T和当前偶数步换相周期T_i为依据，将下一个偶数步换相周期T_i+1更新为以响应速度的变化。重复以上过程，得以实现基于12拍控制的无刷直流电机的无位置传感器控制。将上述过程用图2示出。

由于两管导通时产生的电磁转矩是三管导通时产生的电磁转矩的倍，因此，为获得平稳的电磁转矩并实现调速，本发明采用下述PWM斩波方式：两管导通时，一管采用PWM斩波，另一管采用恒通控制方式；三管导通时，一管采用PWM斩波，其占空比的值为两管导通时占空比值的

倍，另两管采用恒通控制方式。

本发明与现有技术相比较，具有如下优点：(1)本发明采用的12拍控制法与传统6拍控制法相比，具有转矩脉动小，出力大的优点；与常规的正弦波电流驱动法相比，具有控制简单，成本低廉的优点。(2)本发明采用的无刷直流电机无位置传感器控制装置只使用了简单的外围电路，主要功能都依靠软件实现，即利用XC866单片机内嵌的模数转换单元，在PWM开通时刻对非导通相绕组端电压进行采样，得以忽略开关噪声，并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了最低(不需要低通滤波器来消除高频开关噪声，也不需要硬件比较器来判断反电势过零点)。因此，在本发明所提出的无刷直流电机无位置传感器控制装置上来实现12拍控制法，最终达到了既有效抑制电磁转矩脉动，又降低系统成本的目的。

附图说明：

图1是12拍控制法的控制示意图。

图2是本发明采用无位置传感器控制方式实现12拍控制法的流程图。

图3是本发明一个实施例的系统结构图。

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，本基于12拍控制的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、三相逆变器功率器件驱动电路4、微控制器5和转子位置检测电路6。直流电源1经三相逆变器2和无刷直流电机3连接；转子位置检测电路6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5的模数转换输入引脚；微控制器5的六路输出经三相逆变器功率器件驱动电路4连接至三相逆变器2。三相逆变器功率器件驱动电路4采用IR2130型芯片，微控制器5采用XC866型微控制器。

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。本发明系统结构如图3所示，系统核心是XC866型单片机。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及PWM控制输出引脚，其输出信号为0～5V的电平信号。上述换相及PWM控制输出引脚分别与三相功率驱动芯片IR2130的输入引脚HIN1，LIN1，HIN2，LIN2，HIN3，LIN3连接。其输出信号经IR2130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进行功率驱动与PWM控制。转子位置检测电路由一个分压电阻网络组成，其从电机三相引出线。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。

参见图1和图2，本无刷直流电机无位置传感器控制方法，采用上述装置进行控制，利用XC866型单片机内部的捕获/比较单元6(CCU6)、功能扩展的10位模数转换单元(ADC)和16位定时器T2，来实现基于12拍控制的无刷直流电机无位置传感器控制。对于CCU6模块，主要用到其内部的两个独立定时器T12和T13。首先利用T12周期-匹配中断(T12周期值为60°电角度对应的时间)进行偶数步换相，并更改PWM占空比的值；然后将T12当前的周期值T_i等分成两份，利用T2计满(1/2)T_i时间后，进入T2溢出中断进行奇数步换相，并更改PWM占空比的值，以保证偶数步占空比的值为奇数步占空比值的

倍；接着启动ADC采样非导通相绕组的端电压，利用产生PWM信号的T13的周期-匹配中断触发ADC转换，由于驱动电路IR2130造成控制输出的延时，使得ADC刚好捕捉到PWM开通时刻的端电压信息U，然后将其与直流侧电压的一半U_dc/2进行比较，二者值相等的时刻为获得反电势过零点的时刻，即当反电势逐渐降低时，如果U＞U_dc/2，则继续采样比较，当U＜U_dc/2的瞬间，记下此时T12的计数值T(为从偶数步换相到反电势过零点所经历的45°电角度对应的时间)，反电势逐渐增加的情况与之类似，只不过U从小于U_dc/2变为大于U_dc/2，然后将T12的周期值更新为

重复以上过程，得以实现无刷直流电机的无位置传感器控制。

Claims (2)

1.一种基于12拍控制的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)、三相逆变器功率器件驱动电路(4)、微控制器(5)和转子位置检测电路(6)，其特征在于：所述直流电源(1)经所述三相逆变器(2)与所述无刷直流电机(3)连接；所述转子位置检测电路(6)连接所述无刷直流电机(3)进行检测后输出的信号直接连接至所述微控制器(5)的模数转换输入引脚；所述微控制器(5)的六路输出经所述三相逆变器功率器件驱动电路(4)连接至所述三相逆变器(2)；

所述三相逆变器功率器件驱动电路(4)采用IR2130，其HIN1、LIN1、HIN2、LIN2、HIN3和LIN3引脚连接微控制器(5)，而HO1、VS1、LO1、HO2、VS2、LO2、HO3、VS3和LO3引脚连接到三相逆变器(2)；所述微控制器(5)采用XC866型单片机，其AN0、AN1和AN2引脚连接转子位置检测电路(6)，CC60、COUT60、CC61、COUT61、CC62和COUT62引脚连接三相逆变器功率器件驱动电路(4)；所述转子位置检测电路(6)由一个分压电阻网络组成；12拍控制的运行模式为：在一个360°电角度周期内共有12个换相步，依次为：C⁺B^-、C⁺A⁺B^-、A⁺B^-、A⁺B^-C^-、A⁺C^-、A⁺B⁺C^-、B⁺C^-、B⁺A^-C^-、B⁺A^-、B⁺C⁺A^-、C⁺A^-、C⁺A^-B^-，其中“+”号表示一相上管导通，“-”号表示一相下管导通；其中的6个奇数换相步为两管导通方式，而6个偶数换相步为三管导通方式，其中两管导通时，一管采用PWM斩波，另一管采用恒通控制方式；三管导通时，一管采用PWM斩波，其占空比的值为两管导通时占空比值的倍，另两管采用恒通控制方式。

2.一种基于12拍控制的无刷直流电机无位置传感器控制方法，采用权利要求1所述的基于12拍控制的无刷直流电机无位置传感器控制装置进行控制，其特征在于：利用XC866单片机内嵌的模数转换单元，在PWM开通时刻检测两管导通区间内非导通相绕组的端电压，将其与直流侧电压的一半进行比较，二者值相等的时刻视为获得反电势过零点的时刻，以此作为12拍换相的依据来实现无刷直流电机的无位置传感器控制；具体操作方法如下：首先进行偶数步换相；然后延时30°电角度进行奇数步换相；接着启动XC866单片机内嵌的模数转换单元，在PWM开通时刻检测非导通相绕组的端电压，将其与直流侧电压的一半进行比较，二者值相等的时刻为获得反电势过零点的时刻，此时记录下从偶数步换相到反电势过零点所经历的45°电角度对应的时间T，以T和当前偶数步换相周期T_i为依据，将下一个偶数步换相周期T_i+1更新为

以响应速度的变化；重复以上过程，得以实现基于12拍控制的无刷直流电机的无位置传感器控制。

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