CN102545749A - 宽调速范围无刷直流电机无位置传感器控制装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种宽调速范围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XC878单片机内嵌的模数转换单元采样得到电机三相绕组的端电压，用基于压差转换的信号处理方法对采样值进行实时计算处理，得到含有断开相反电势信息且幅值为实际反电势幅值两倍的反馈信号，获取反电势过零点作为电机绕组换相的依据，从而提高了低速运行时反电势过零点的检测精度，达到宽调速范围运行的目的。

Description

宽调速范围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，特别是一种具有低成本特点且可以有效提高位置检测精度、实现宽调速范围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，无刷直流电机无位置传感器控制采用的常规方法是反电势过零点检测法。这种检测方法主要应用在两两导通、三相六状态的方波无刷直流电机中。其工作原理为:由于无刷直流电机未导通相的反电势在一个周期内都存在两次过零点，并且每个过零点都超前下次换相点30°电角度。因此，只要检测出电机未导通相绕组中的每个过零点，再延迟30°电角度，就可以得到下次换相点的时刻，从而实现无位置传感器控制。但是，传统的反电势过零点检测法存在以下缺陷：首先, 低速时反电势采样信号幅值较小，现有方法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性能不理想，无法实现宽调速范围，限制了现有无位置传感器控制技术的应用范围。其次，如图3所示由于受到调速运行时脉宽调制影响，现有方法中的反电势采样信号包含丰富的高频干扰，导致位置检测精度不高，影响了调速性能。第三、现有方法大都采用端电压与重构的电机中心点相比较以间接得到反电势过零点，实现方法通常采用模拟比较器和相关外围硬件电路来实现,从而增加了系统的成本。上述原因严重限制了无刷直流电机无位置传感器控制系统的应用推广。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提出一种宽调速范围的无刷直流电机无位置传感器控制装置及方法，从而有效提高低速运行时反电势的检测精度，实现宽调速范围运行。为达到上述目的，本发明的构思如下：通过微控制器的模数转换通道对电机三相绕组的端电压进行采样。利用基于压差转换的信号处理算法对三相绕组的端电压采样信号进行处理，得到包含断开相反电势信息且幅值为断开相反电势幅值两倍的反馈信号，并使之与零电位进行比较，两者值相等的时刻视为获得反电势过零点的时刻，以此作为电机绕组换相的依据来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。采用具有良好性价比的微控制器用软件方法判断反电势过零点，结合两相导通的功率管同时进行PWM斩波控制的调制模式，包含断开相反电势信息的采样信号将不受脉宽调制干扰的影响（如图4所示），过零点处波形光滑、清晰，进一步提高了本发明装置和方法的运行性能和可靠性。同时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。基于压差转换方法的信号处理算法具体描述为：利用微控制器的模数转换通道实时采样电机三相绕组的端电压值，通过软件算法分别计算相序超前（相对于断开相绕组）的绕组端电压和断开相绕组端电压之间的电压差U1和断开相绕组端电压与相序滞后（相对于断开相绕组）的绕组端电压之间的电压差U2。U1和U2之间的电压差U即为包含断开相绕组反电势信息的反馈信号。根据电机学原理可知，其幅值为实际断开相反电势幅值的两倍，且过零点时刻相同；
根据上述的发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种宽调速范围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IR2136，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XC878，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：首先利用XC878型单片机内部的定时器                                                
Figure 552888DEST_PATH_IMAGE001
周期-匹配中断（定时器的周期值
Figure 743884DEST_PATH_IMAGE002
为
Figure 694522DEST_PATH_IMAGE003
电角度对应的时间）进行换相控制，并更新PWM占空比的值；接着启动单片机的模数转换器ADC采样三相绕组的端电压，利用产生PWM信号的定时器
Figure 577028DEST_PATH_IMAGE004
的周期-匹配中断触发模数转换；单片机将采样值经过基于压差转换的信号处理方法处理，得到的反馈值
Figure 867195DEST_PATH_IMAGE005
与零电位进行比较，二者值相等的时刻为获得反电势过零点的时刻，此时记录下从换相到反电势过零点所经历的
Figure 809743DEST_PATH_IMAGE006
电角度对应的时间
Figure 247678DEST_PATH_IMAGE007
；以和当前换相周期
Figure 843928DEST_PATH_IMAGE008
为依据，将下一个换相周期更新为，以响应速度的变化；即当反电势逐渐降低时，如果
Figure 882608DEST_PATH_IMAGE010
，则继续采样比较，当的瞬间，记下此时定时器的计数值
Figure 577398DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 989925DEST_PATH_IMAGE012
为从上一次换相到反电势过零点所经历的
Figure 17924DEST_PATH_IMAGE006
电角度对应的时间，反电势逐渐增加的情况与之类似，只不过从小于0变为大于0；最后将定时器
Figure 592441DEST_PATH_IMAGE001
的周期值更新为
Figure 226685DEST_PATH_IMAGE013
，即更新电机的换相周期，以响应速度的变化；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。
上述的基于压差转换的信号处理方法为：通过微控制器的模数转换通道对电机三相绕组的端电压进行采样；利用电机三相绕组的端电压采样值，分别计算相序相对于断开相超前相的绕组端电压
Figure 481211DEST_PATH_IMAGE014
和断开相绕组端电压之间的电位差
Figure 409033DEST_PATH_IMAGE016
以及断开相绕组端电压
Figure 530573DEST_PATH_IMAGE015
与相序相对于断开相滞后相的绕组端电压
Figure 838057DEST_PATH_IMAGE017
之间的电位差
Figure 994232DEST_PATH_IMAGE018
，计算公式分别如式（1）和（2）所示；然后计算
Figure 791287DEST_PATH_IMAGE016
和
Figure 587073DEST_PATH_IMAGE018
之间的电位差
Figure 494987DEST_PATH_IMAGE019
，计算公式如式（3）所示；
Figure 505668DEST_PATH_IMAGE019
即为经压差转换方法处理后包含反电势信息的反馈信号，其幅值为实际断开相反电势幅值的两倍，且过零点时刻相同；
Figure 473624DEST_PATH_IMAGE020
                                                          （1）
                                                          （2）
Figure 219043DEST_PATH_IMAGE022
                                                              （3）
将上述过程用图2示出。由于单功率管调制方法将导致反电势检测信号受到PWM调制产生的高频干扰影响，从而导致系统的性能和可靠性降低。本发明采用对任意时刻两相导通的功率开关管同时采用PWM斩波控制的方法，且导通管的占空比相同。
本发明与现有技术相比较，具有如下优点：（1）本发明采用的反电势检测方法与传统检测方法相比，检测到的包含反电势信息的采样信号幅值为实际反电势幅值的两倍，且过零点与实际反电势相同，因此能够有效检测到电机低速运行时的反电势，提高了反电势的检测精度，有利于实现宽调速范围。（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XC878单片机内嵌的模数转换单元，对相绕组端电压进行采样，并用软件实现反电势过零点的判断，得到转子位置信息。由于同时对任意时刻导通的两相功率管进行脉宽调制，使得包含转子位置信息的采样信号不受脉宽调制干扰的影响，使得对外围电路的需求降到了最低且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对无位置传感器无刷直流电机控制，最终达到了有效提高反电势的检测精度，提高电机的低速运行性能和实现宽调速范围的目的，同时具有低成本的特点。
附图说明
图1是本发明一个实施例的系统结构图。
图2是本发明实现无位置传感器控制的实现框图。
图3是传统反电势法绕组端电压的实际测量波形图。
图4是本装置包含断开相反电势信息的反馈信号波形图。
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1，本宽调速范围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连接至无刷直流电机3；转子位置检测电路6与无刷直流电机3连接，检测到的信号输出至微控制器5的模数转换输入引脚；微控制器5的六路输出信号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IR2136型芯片，微控制器5采用XC878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1所示，系统核心是XC878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
Figure 84231DEST_PATH_IMAGE023
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
Figure 223088DEST_PATH_IMAGE024
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
Figure 492002DEST_PATH_IMAGE025
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XC878的模数转换输入引脚
Figure 944980DEST_PATH_IMAGE026
相连。
参见图2，本基于压差转换方法的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XC878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），来实现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
Figure 664674DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 974433DEST_PATH_IMAGE004
。首先利用XC878型单片机内部的定时器
Figure 232108DEST_PATH_IMAGE001
周期-匹配中断（定时器
Figure 285515DEST_PATH_IMAGE001
的周期值
Figure 125295DEST_PATH_IMAGE002
为
Figure 605955DEST_PATH_IMAGE003
电角度对应的时间）进行换相控制，并更新PWM占空比的值；接着启动单片机的模数转换器ADC采样三相绕组的端电压，利用产生PWM信号的定时器
Figure 101658DEST_PATH_IMAGE004
的周期-匹配中断触发模数转换；然后将采样值经过基于压差转换方法的软件算法处理后得到的反馈值
Figure 693176DEST_PATH_IMAGE005
与零电位进行比较，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
Figure 387463DEST_PATH_IMAGE010
，则继续采样比较，当
Figure 993019DEST_PATH_IMAGE011
的瞬间，记下此时定时器的计数值，
Figure 982337DEST_PATH_IMAGE012
为从上一次换相到反电势过零点所经历的
Figure 742483DEST_PATH_IMAGE006
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
Figure 9516DEST_PATH_IMAGE005
从小于0变为大于0；最后将定时器的周期值更新为
Figure 64246DEST_PATH_IMAGE013
，即更新电机的换相周期，以响应速度的变化；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。
本装置包含断开相反电势信息的反馈信号波形示于图4，
图3给出了传统反电势法绕组端电压的实际测量波形图。

Claims (3)

1.一种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）、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IR2136型三相功率驱动器，其HIN1、LIN1、HIN2、LIN2、HIN3和LIN3引脚连接微控制器（5），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XC878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；功率逆变器采用两两导通的6拍工作模式，两管导通时全部采用PWM斩波控制方式。
2.一种宽调速范围无刷直流电机无位置传感器控制方法，采用根据权利要求1所述的宽调速范围无刷直流电机无位置传感器控制装置进行控制，其特征在于控制步骤如下：由微控制器XC878中的模数转换通道对电机三相绕组的端电压进行采样，用基于压差转换方法的信号处理算法对三相绕组的端电压采样信号进行处理，得到含有断开相反电势信息且幅值为实际反电势幅值两倍的反馈信号，并使之与零电位进行比较，两者值相等的时刻视为获得反电势过零点的时刻，以此作为电机绕组换相的依据来实现无刷直流电机的无位置传感器控制；具体步骤如下：首先进行换相；接着启动XC878单片机内嵌的模数转换单元采样三相绕组的端电压；然后单片机将采样值经过基于压差转换的信号处理方法进行处理，得到的反馈值 
Figure 2012100028135100001DEST_PATH_IMAGE001
与零电位进行比较，二者值相等的时刻为获得反电势过零点的时刻，此时记录下从换相到反电势过零点所经历的
Figure 2012100028135100001DEST_PATH_IMAGE002
电角度对应的时间；以和当前换相周期
Figure 2012100028135100001DEST_PATH_IMAGE004
为依据，将下一个换相周期更新为
Figure 2012100028135100001DEST_PATH_IMAGE005
，以响应速度的变化；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。
3.根据权利要求2所述的宽调速范围无刷直流电机无位置传感器控制方法，其特征在于所述基于压差转换的信号处理方法为：通过微控制器的模数转换通道对电机三相绕组的端电压进行采样；利用电机三相绕组的端电压采样值，分别计算相序相对于断开相超前相的绕组端电压
Figure 2012100028135100001DEST_PATH_IMAGE006
和断开相绕组端电压
Figure 2012100028135100001DEST_PATH_IMAGE007
之间的电位差以及断开相绕组端电压
Figure 471202DEST_PATH_IMAGE007
与相序相对于断开相滞后相的绕组端电压之间的电位差
Figure 2012100028135100001DEST_PATH_IMAGE010
，计算公式分别如式（1）和（2）所示；然后计算
Figure 329568DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 724777DEST_PATH_IMAGE010
之间的电位差，计算公式如式（3）所示；即为经压差转换方法处理后包含反电势信息的反馈信号，其幅值为实际断开相反电势幅值的两倍，且过零点时刻相同；
Figure 2012100028135100001DEST_PATH_IMAGE012
                                                              （1）
Figure 2012100028135100001DEST_PATH_IMAGE013
                                                              （2）
Figure 2012100028135100001DEST_PATH_IMAGE014
                                                                  （3）。
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