CN102299672A - 一种直流无刷电机的直接电压正弦波驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种直流无刷电机的直接电压正弦波驱动方法，正弦波驱动器可完全取代方波驱动器。正弦波驱动直流无刷电机系统具有扭矩恒定、低噪音、启动转矩大、低速性能优良、动态性能好及扭矩可调等特点，比起传统的方波驱动器具有很大优势，尤其在精度要求较高的伺服控制系统。特别在低速运行系统中，正弦波驱动器具有不可比拟的优势。

Description

一种直流无刷电机的直接电压正弦波驱动方法

技术领域

本发明涉及一种直流无刷电机的直接电压正弦波驱动方法，属于电机控制技术领域，涉及直流无刷电机的正弦波控制。更具体地说，涉及一种使直流无刷电机具有启动转矩大、效率高、低速性能优良、动态性能好、低噪音、扭矩可调等优点的驱动的实现方法。

背景技术

无刷电动机由电机本体、位置传感器、驱动控制电路三部分组成。在电机系统中，由于齿槽转矩的存在，导致输出转矩波动，引起振动和噪声，影响系统的控制精度。随着技术要求的进一步发展，尤其是精密伺服系统要求在电机研制和电机驱动研制方面都应有进一步的改善和提升。

在电动机本体结构上可以采用近似方波的气隙磁场或者正弦波气隙磁场。当电动机本体气隙磁场的形状为方波时，可以采用方波形式的驱动电路，理论上来讲，转矩波动为零，但这一结论是在理想情况下得到的。实际上由于定子电流的换向过渡过程以及难以获得理想的120度的电流方波，另一方面采用方波磁场不利于减小齿槽转矩，高速运行时电机附加损耗也有所增加，同时也增大了电机的振动和噪声。目前应用中的电机一般采用梯形波磁场甚至近似正弦波的磁场，在这种情况下，电机的转矩波动一般在14％以上。

为了降低转矩波动提高精度，电机在本体结构上采用“正弦波”原理，即使转子产生的气隙磁场按正弦波分布，同时采用正弦波形式的驱动电路。理论上，采用这种方法也能够使转矩波动为零，但实际电动机系统由于多方面的影响，转矩波动是不可避免的，但相比上述14％的转矩波动大大降低。转矩波动的降低不仅使电机的振动和噪声减小、运行性能得到改善、控制精度得到提高，同时也降低了启动电压。

目前，国外文献中正弦波驱动方式已有研究和实践案例；而国内文献中涉及正弦波驱动电机控制技术理论有多篇，但用于实际工程却寥寥无几。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种直流无刷电机的直接电压正弦波驱动方法，

本发明的思想在于：结合直流无刷电机位置传感器的三相正弦信号对电机当前转子位置，利用控制芯片DSP生成等腰三角波，确定正弦脉宽调制脉冲(SPWM)序列。

技术方案

一种直流无刷电机的直接电压正弦波驱动方法，其特征在于：将三路线性霍尔位置传感器B、C和D以互差120度角度均布在位置磁钢圆周，驱动方法步骤如下：

步骤1：三路线性霍尔位置传感器信号经滤波整形后输入到DSP的AD端口，每一路信号根据公式：得到该线性霍尔位置传感器当时位置的输出电压值，其中：RESULT0为AD采集得到的数字变量，a[0]为线性霍尔位置传感器根据转子绝对位置变化表征出的当前转子角度信息的实时电压值；

步骤2：再根据公式：G_H_i＝((a[0]-数值1)×数值2)将每一路线性霍尔位置传感器当时位置的电压幅值换算到-1～1内，得到3路信号的G_H1，G_H2，G_H3值，i表示第i路信号，为1～3，

其中：

HALLmax和HALLmin是电机未启动前手动旋转电机获得的线性霍尔位置传感器输出幅值的最大和最小值；

步骤3：将步骤2得到的G_H1，G_H2和G_H3与零比较，大于零为1小于零为零，得到与3路信号的G_H1，G_H2，G_H3值相应的3个变量：

b＝(G_H1＞＝0？1:0)

c＝(G_H2＞＝0？1:0)

d＝(G_H3＞＝0？1:0)

步骤4：将变量b、c和d进行组合得到6组与磁钢圆周6个扇区位置一一对应的数字：001、010、011、100、101和110；所述每个扇区为60度角度；

步骤5：再将G_H1，G_H2，G_H3数值换算到0～255范围内，得到j1，j2，j3：

j1＝(int)((G_H1+1)×127.5)

j2＝(int)((G_H2+1)×127.5)

j3＝(int)((G_H3+1)×127.5)；

步骤6：根据得到的j1，j2，j3，在反正弦表Darcsin[255]表中查找相应与j1，j2，j3位置的数值，得到当前传感器所处位置的角度值G_Rad；

步骤7：通过如下计算，得到

B传感器的霍尔信号对应的角度弧度值：G_RadB＝G_Rad；

C传感器的霍尔信号对应的角度弧度值：

D传感器的霍尔信号对应的角度弧度值：

步骤8：根据步骤7得到的角度弧度值，查正正弦表得出该角度弧度值对应的正弦电压幅值，然后将该三组正弦电压幅值分别赋给DSP芯片事件管理器EVA或者EVB的产生PWM比较功能的寄存器CMPRX，X＝1，2，3，4，5，6；

步骤9：三组正弦电压幅值与DSP内部产生的载波三角波信号相比较后，输出6路带有死区控制的SPWM信号：PWM1，PWM2，PWM3，PWM4，PWM5，PWM6，控制6个功率器件的开通关断实现该直流无刷电机的直接电压正弦波驱动。

有益效果

本发明提出的一种直流无刷电机的直接电压正弦波驱动方法，正弦波驱动器可完全取代方波驱动器。正弦波驱动直流无刷电机系统具有扭矩恒定、低噪音、启动转矩大、低速性能优良、动态性能好及扭矩可调等特点，比起传统的方波驱动器具有很大优势，尤其在精度要求较高的伺服控制系统。特别在低速运行系统中，正弦波驱动器具有不可比拟的优势。

附图说明

图1：直流无刷电机控制原理框图——表示了直流无刷电机正弦波驱动器系统主要电路间的连接关系

图2：外部信号与正弦波驱动器硬件及软件接口关系框图——表示了正弦波驱动器外部输入信号和外部控制信号与正弦波驱动器系统软硬件架构关系

图3：六个状态与转子所在扇区对应关系——表示了三路霍尔位置传感器信号与六个状态的对应关系，从而简单明确的理解扇区与外部功率管控制的对应关系

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

直流无刷电机控制器主要是通过采集电机内的位置传感器信号来确定电机转子的位置，通过电机转子的位置控制电子换向器的通断来实现电机的换向。其中直流无刷电机控制原理框图如图1所示。

从图2可以知道正弦波驱动器外部输入信号(即电机三相霍尔信号Hall_A、Hall_B、Hall_C)和外部控制信号(即用户接口控制调速信号PWM_EX、正反转信号DIR_EX)与正弦波驱动器微处理器硬件及各子程序软件之间的接口关系，从而明确正弦波驱动器各信号与系统软硬件架构。

首先要采集电机的三路位置传感器的位置信息，在此以三个线性霍尔传感器为例来说明SPWM控制算法的实现过程。三路霍尔位置传感器均匀分布在磁场分布为正弦磁场的位置磁钢的周围，并且以互差120度角度均布。

1、无刷直流电动机三路霍尔位置传感器信号经滤波整形后输入到DSP的AD端口，并将采集到的霍尔信号根据公式：

$\frac{65535}{3\left(V\right)}=\frac{\mathrm{RESULT}0}{a\left[0\right]}---\left(1\right)$

AD输入参考电压为3V，16位AD，RESULT0为AD采集得到的数字变量，a[0]为根据公式(1)换算得出的AD采集得到的一组霍尔传感器的实际位置电压值，同理其它两路霍尔位置传感器输出信号的处理也类似。

2、再将AD采集得到的三路霍尔位置传感器的位置值换算到-1～1内，假设G_H1为一路霍尔位置传感器信号归一到-1～1内的数值，则有公式如下：

G_H1＝(a[0]-数值1)*数值2；            (2)

其中，

HALLmax和HALLmin是电机未启动前手动旋转电机获得的霍尔位置传感器输出幅值的最大、最小值。

3、根据计算得出的G_H1，G_H2，G_H3数值，判断转子绝对位置所处的扇区，判断扇区的算法如下：

①根据G_H1，G_H2，G_H3数值，通过与零比较，将模拟量转换为数字量0和1，即有：b＝(G_H1＞＝0？1:0)；

c＝(G_H2＞＝0？1:0)

d＝(G_H3＞＝0？1:0)

②然后再将得出的b，c，d变量中的c变量左移1位，b变量左移2位，即可形成8组数字量如下：000，001，010，011，100，101，110，111。除去无效的000和111，正好6个状态，即对应6个扇区的位置，每个扇区占用60度角度。见附图3。

③根据G_H1，G_H2，G_H3数值，利用公式：

j1＝(int)((G_H1+1)*127.5)

j2＝(int)((G_H2+1)*127.5)

j3＝(int)((G_H3+1)*127.5)

将j1，j2，j3的数值换算到0～255范围内。

④根据得到的j1，j2，j3，在反正弦表Darcsin[255]表中查找相应与j1，j2，j3位置的数值，得到当前传感器所处位置的角度值G_Rad；

⑤根据得出的实际转子角度位置G_Rad，分别得出三路霍尔信号此时各自对应的位置角度值，即有如下关系：

G_RadB＝G_Rad；        //霍尔b波形

$G\_\mathrm{RadC}=G\_\mathrm{Rad}-\frac{2\mathrm{\π}}{3};$                      //霍尔c波形

$G\_\mathrm{RadD}=G\_\mathrm{Rad}+\frac{2\mathrm{\π}}{3};$                      //霍尔d波形

⑥根据得出的角度弧度值，结合正弦表数组位置与弧度的关系，得出当前弧度值对应正弦表的数组位置。然后根据该位置查询该位置对应的正弦表的幅值，依据这一原理，可得出某一具体位置下，三路互差120度的霍尔信号对应的不同的电压幅值。并将该三组数值分别赋给DSP芯片事件管理器EVA或者EVB的产生PWM比较功能的寄存器CMPRX(X＝1，2，3，4，5，6)。

⑦以上得出的数值与DSP内部产生的载波三角波信号相比较，即可实现SPWM信号的输出，即输出6路SPWM信号：PWM1，PWM2，PWM3，PWM4，PWM5，PWM6。

Claims (1)

1.一种直流无刷电机的直接电压正弦波驱动方法，其特征在于：将三路线性霍尔位置传感器B、C和D以互差120度角度均布在位置磁钢圆周，驱动方法步骤如下：

步骤1：三路线性霍尔位置传感器信号经滤波整形后输入到DSP的AD端口，每一路信号根据公式：

得到该线性霍尔位置传感器当时位置的输出电压值，其中：RESULT0为AD采集得到的数字变量，a[0]为线性霍尔位置传感器根据转子绝对位置变化表征出的当前转子角度信息的实时电压值；

步骤2：再根据公式：G_H_i＝((a[0]-数值1)×数值2)将每一路线性霍尔位置传感器当时位置的电压幅值换算到-1～1内，得到3路信号的G_H1，G_H2，G_H3值，i表示第i路信号，为1～3，

其中：

HALLmax和HALLmin是电机未启动前手动旋转电机获得的线性霍尔位置传感器输出幅值的最大和最小值；

步骤3：将步骤2得到的G_H1，G_H2和G_H3与零比较，大于零为1.小于零为零，得到与3路信号的G_H1，G_H2，G_H3值相应的3个变量：

b＝(G_H1＞＝0？1:0)

c＝(G_H2＞＝0？1:0)

d＝(G_H3＞＝0？1:0)

步骤4：将变量b、c和d进行组合得到6组与磁钢圆周6个扇区位置一一对应的数字：001、010、011、100、101和110；所述每个扇区为60度角度；

步骤5：再将G_H1，G_H2，G_H3数值换算到0～255范围内，得到j1，j2，j3：

j1＝(int)((G_H1+1)×127.5)

j2＝(int)((G_H2+1)×127.5)

j3＝(int)((G_H3+1)×127.5)；

步骤6：根据得到的j1，j2，j3，在反正弦表Darcsin[255]表中查找相应与j1，j2，j3位置的数值，得到当前传感器所处位置的角度值G_Rad；

步骤7：通过如下计算，得到

B传感器的霍尔信号对应的角度弧度值：G_RadB＝G_Rad；

C传感器的霍尔信号对应的角度弧度值：

D传感器的霍尔信号对应的角度弧度值：

步骤8：根据步骤7得到的角度弧度值，查正正弦表得出该角度弧度值对应的正弦电压幅值，然后将该三组正弦电压幅值分别赋给DSP芯片事件管理器EVA或者EVB的产生PWM比较功能的寄存器CMPRX，X＝1，2，3，4，5，6；

步骤9：三组正弦电压幅值与DSP内部产生的载波三角波信号相比较后，输出6路带有死区控制的SPWM信号：PWM1，PWM2，PWM3，PWM4，PWM5，PWM6，控制6个功率器件的开通关断实现该直流无刷电机的直接电压正弦波驱动。

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