CN103973180B - 一种用于无刷直流电机的反电势过零点检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于无刷直流电机的反电势过零点检测方法，涉及无刷直流电机领域，该方法包括以下步骤：在直流电源和三相桥式逆变器之间设置一个可避免直通矢量作用下电源正负极发生短路的二端口电路网络；在直通矢量作用下利用比较器电路或专用芯片对无刷直流电机端电压的电平进行周期性过零点检测；有效矢量和零矢量被专用于无刷直流电机调速或其他控制。本方法在直通矢量作用下进行过零点检测，端电压经过限幅后可直接与零电平进行比较，避免了对端电压信号进行分压衰减，减小了检测误差，提高了反电势过零点检测精度。

Description

一种用于无刷直流电机的反电势过零点检测方法

技术领域

本发明涉及无刷直流电机领域，尤其涉及一种用于无刷直流电机的反电势过零点检测方法，本发明完成了无刷直流电机的换相或其他控制功能，适合于无刷直流电机进行无位置传感器控制或其他依赖于反电势过零点的无刷直流电机控制操作。

背景技术

无刷直流电机具有结构紧凑简单、运行稳定可靠、维护成本低等优点。无刷直流电机的位置传感器增大了电机体积，其安装精度将直接影响无刷直流电机的运行性能。在高温、高压、湿度灰尘大的恶劣工况下，位置传感器亦将限制无刷直流电机的应用。

反电势法是实现无刷直流电机无位置传感器控制的常用方法之一，其关键在于检测反电势的过零点。J.Shao和D.Nolan等提出了直接反电势法(IEEE Trans.Ind.Appl,vol.39,no.6,pp.1734–1740,2003年11/12月)，直接反电势法在零矢量作用时检测断开相端电压和参考零电平的大小关系，如果检测结果相对上一个周期发生跳变则触发过零点信号。直接反电势法不使用电流传感器，无需构造虚拟中性点，避免了由低通滤波器带来的相移问题。但是，在电机高速运行区间，零矢量的脉冲宽度很窄，将导致反电势法难以实现。

Y.S.Lai和F.S.Shyu等提出了在有效矢量作用时进行检测的方法(Proc.IEEE IECONConf.,2003,pp.2144–2149)，该方法的有效矢量占空比可达到1，直流电源电压利用率得到了保证，适合于电机高速运行。但是，电机低速运行区间，有效矢量的脉冲宽度很窄，该方法亦难以实现。

Jianwen Shao在美国专利US 7301298B2提出了根据电机转速高低分别在零矢量和有效矢量作用时进行过零点检测。该方法可以使无刷直流电机在较宽的速度范围内运行，并保证了直流电源电压利用率。但是，检测点需要根据电机转速进行切换。Y.S.Lai和Y.K.Lin提出了根据不同的调制方式设置了对应的参考电平(IEEE Trans.Power Electron,vol.26,no.6,pp.1704–1713,2011年6月)，从而使改进的直接反电势法适用于多种调制方式。

为了提高过零点检测精度，J.Shao和D.Nolan提出了基于互补PWM调制的直接反电势法(Proc.IEEE APEC,2003,pp.300–305)，互补PWM调制的零矢量以两个MOS管作为续流通道，这有助于降低功率器件导通损耗，也可避免因反并联二极管导通压降导致的检测误差，同时还能避免轻载工况下电流断续对过零点检测的影响。但是，互补PWM调制需要考虑死区的设置。

已有的直接反电势法及其改进方法用于无刷直流电机反电势过零点检测依然存在一些问题：反电势过零点检测和无刷直流电机调速两个控制过程之间相互影响；在零矢量作用下进行过零点检测将限制直流电源电压利用率；在有效矢量作用下进行过零点检测需要对断开相端电压进行分压衰减，这将降低信噪比，带来一定的检测误差。

发明内容

本发明提供了一种用于无刷直流电机的反电势过零点检测方法，本发明将反电势过零点检测和无刷直流电机调速两个控制过程分离，直通矢量不直接参与电机调速，而有效矢量和零矢量被专用于电机调速，详见下文描述：

一种用于无刷直流电机的反电势过零点检测方法，所述方法包括以下步骤：

在直流电源和三相桥式逆变器之间设置一个可避免直通矢量作用下电源正负极发生短路的二端口电路网络；

在直通矢量作用下利用比较器电路或专用芯片对无刷直流电机端电压的电平进行周期性过零点检测；

有效矢量和零矢量被专用于无刷直流电机调速或其他控制。

所述无刷直流电机采用六步换相驱动策略，在每一步中，无刷直流电机只有两相存在驱动电流，另外一相不存在驱动电流，存在驱动电流的电机定子绕组及三相桥式逆变器对应桥臂被称为导通相，不存在驱动电流的电机定子绕组及三相桥式逆变器对应桥臂被称为断开相。

所述直通矢量由三相桥式逆变器的导通两相中任一相的上桥臂、下桥臂两个开关管同时导通而产生，或，

由导通两相的四个开关管同时导通而产生，或，

由并联在三相桥式逆变器输入端的独立开关管导通而产生，

上述三种方式应控制断开相的上、下桥臂两个开关管保持关断。

所述周期性过零点检测具体为：在每个调制周期都将直通矢量作用下的断开相端电压与参考电平进行比较，若比较结果相对于上一个调制周期的比较结果发生变化则触发反电势过零点信号。

所述二端口网络为：Z源网络或准Z源网络，

当为Z源网络时，Z源网络与所述三相桥式逆变器构成了一个Z源逆变器。

当为准Z源网络时，准Z源网络与所述三相桥式逆变器构成了一个准Z源逆变器。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

(1)本发明在直通矢量作用下进行反电势过零点检测，零矢量和有效矢量被用于电机调速，所以反电势过零点检测和电机调速被分离，因此本发明可适用于较宽的速度范围，避免了在不同转速范围进行检测点和参考电平的切换，也无需在不同调制方式下根据零矢量的种类对参考电平进行分别设置。

(2)Z源网络/准Z源网络与三相桥式逆变器联合构成Z源逆变器/准Z源逆变器，此时直通矢量除了提供反电势过零点检测窗口以外，Z源网络/准Z源网络还可以使驱动系统具有一级升压环节，可以有效提高直流电源电压的利用率，适合于采用低压电源的工业应用；并且，Z源逆变器/准Z源逆变器的使用提高了系统的安全性，在使用互补PWM调制时也无需考虑死区的设置。

(3)在直通矢量作用下进行过零点检测，端电压经过限幅后可直接与零电平进行比较，避免了对端电压信号进行分压衰减，减小了检测误差，提高了反电势过零点检测精度。

附图说明

图1为一种用于无刷直流电机的反电势过零点检测方法的原理图；

图2为采用Z源网络的反电势过零点检测方法的原理图；

图3为三相桥式逆变器产生直通矢量的示意图；

图4为无刷直流电机六步驱动的原理图；

图5为三相桥式逆变器和无刷直流电机在一种直通矢量作用下的等效电路；

图6为存在直通矢量的端电压波形图；

图7为采用准Z源网络的反电势过零点检测方法的原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

随着电力电子技术的发展，F.Z.Peng提出了一种Z源逆变器(IEEE Trans.Ind.Appl.,vol.39,no.2,pp.504–510,2003年3月/4月)。传统的电压源型逆变器禁止直通，而Z源逆变器允许直通，且无需考虑死区的设置，并具有较好的升压能力。Z源逆变器已经被应用在电机驱动、风力发电等电力电子变换场合。

本发明的基本原理如图1所示，系统，包括：直流电源、二端口网络、三相桥式逆变器、无刷直流电机、比较电路或专用芯片、控制器，其中，

二端口网络设置在直流电源和三相桥式逆变器之间，二端口网络的输入是直流电源电压U_d，二端口网络的输出电压u_in将作为三相桥式逆变器的输入，二端口网络的电路结构应保证在直通矢量作用下直流电源不发生短路。比较电路或专用芯片将无刷直流电机的端电压与参考零电平比较后输出比较逻辑结果，控制器利用比较逻辑结果得到无刷直流电机反电势过零点，并将反电势过零点用于无刷直流电机的控制，最终输出PWM信号驱动三相桥式逆变器进行开关操作。

其中，直流电源、无刷直流电机和三相桥式逆变器与常见的无刷直流电机驱动系统中使用的结构相同，本发明实施例对此不做赘述。

图2，二端口网络为Z源网络，该Z源网络由两个大小相等的电容C₁和C₂，两个大小相等的电感L₁和L₂，以及一个二极管D₇构成。Z源网络特殊的电路结构可保证直通矢量作用下直流电源不发生短路。Z源网络与三相桥式逆变器构成了一个Z源逆变器，

上述的三相桥式逆变器由T₁～T₆六个MOS管和D₁～D₆六个反并联二极管构成。i_a、i_b、i_c为a、b、c三相的相电流。

图1和图2中的控制器可再细分为延时及换相控制器、直通占空比d_s计算、速度控制器、PWM发生器、过零点检测控制器五部分。

其中，延时及换相控制器输出换相信号，用来实现无刷直流电机常用的三相六步换相驱动方式，当无刷直流电机为无位置传感器控制时，可以在检测到反电势过零点后再延时30°电角度对应的时间作为无刷直流电机换相信号。

参见图3(a)，传统方法采用三角载波和调制信号v_m获得PWM信号，当三角载波大于调制信号v_m的幅值时输出有效矢量PWM信号，当三角载波小于调制信号v_m的幅值时输出零矢量PWM信号，在一个周期内设有效矢量占空比为d₁。

参见图3(b)，一个额外的调制信号v_sh被用于产生直通矢量，当三角载波小于调制信号v_sh的幅值时输出直通矢量PWM信号，在一个周期内设直通矢量占空比为d_s。直通矢量的插入不应影响有效矢量占空比，因此一部分直通矢量替代了零矢量，且调制信号v_sh应小于调制信号v_m，故存在关系d_s<1-d₁。图3(b)还给出了反电势过零点检测触发脉冲信号，在每个直通矢量即将结束的时刻触发过零点检测操作，为了保证反电势过零点检测的正常进行，需要使直通矢量维持一段时间，因此d_s存在一个最小值d_smin，该最小值由开关频率和无刷直流电机的参数而决定，故d_s>d_smin，且0<d₁<1-d_s。

参见图4，其中e_a、e_b、e_c为a、b、c三相的相反电势，i_a、i_b、i_c为a、b、c三相的相电流，曲线ZCP的每一个边沿对应无刷直流电机相反电势的一个过零点，曲线CP的每一个边沿对应无刷直流电机的一个换相点，无刷直流电机相反电势的每个过零点都超前下一个换相点30°电角度，在无位置传感器控制中利用反电势过零点延时后得到无刷直流电机的换相点。同一时刻无刷直流电机只有两相导通电流，这两相被称为该时刻的导通相，剩下的一相被称为该时刻的断开相，每经过一个换相周期，控制器将根据导通逻辑对导通相和断开相进行切换。

以实施例1为例，Z源网络可以使驱动系统具有一级升压环节，这将有效提高直流电源电压的利用率，适合于采用低压电源的工业应用，电源电压U_d和三相桥式逆变器的输出平均电压的最大值U_avmax存在以下关系：

$U_{av\max }=\frac{d_s}{1-2d_s}{U}_d---\left(1\right)$

令U_avmax＝U_N，如图1所示，直通占空比d_s计算可根据无刷直流电机的额定电压U_N和电源电压U_d计算得到，但应至少满足边界条件d_s>d_smin。

参见图1，速度控制器将根据给定转速n^*和反馈实际转速n计算有效矢量占空比d₁，有效矢量占空比也应至少满足边界条件0<d₁<1-d_s，本发明将直通矢量用于反电势过零点检测，有效矢量和零矢量用于电机调速，因此反电势过零点检测和电机调速不会相互影响。PWM发生器根据有效矢量占空比d₁、直通矢量占空比d_s、换相信号，并使用图3所示的调制方法即可输出PWM信号至三相桥式逆变器，同时还将在每个直通矢量即将结束的时刻触发过零点检测。

参见图5，在每一个换相周期，无刷直流电机的三相都可根据电流实际方向可分为正向导通相、负向导通相和断开相。实施例1中，直通矢量作用下三相桥式逆变器导通两相的四个开关管T_pH、T_pL、T_nH、T_nL同时导通，断开相的上、下桥臂两个开关管T_pH、T_pL保持关断。正向导通相、负向导通相和断开相的端电压分别为v_p、v_n、v_o，端电压的参考零电平是图5中的O点电平。正向导通相、负向导通相和断开相的相电流分别为i_p、i_n、i_o，同理，各相反电势分别为e_p、e_n、e_o。无刷直流电机各相绕组电阻和电感分别为R_s和L_s，中性点电位为v_NO。

无刷直流电机三相端电压可表示为

$\left\{\begin{array}{c}{v}_p=R_s{i}_p+L_s\frac{{\mathrm{di}}_p}{dt}+e_p+v_{NO}\\ v_n=R_s{i}_n+L_s\frac{{\mathrm{di}}_n}{dt}+e_n+v_{NO}\\ v_o=R_s{i}_o+L_s\frac{{\mathrm{di}}_o}{dt}+e_o+v_{NO}\end{array}\right.---\left(2\right)$

导通相的相电流满足i_p＝﹣i_n，导通相的相反电势满足e_p＝﹣e_n，将式(2)的第1式和第2式相加，则无刷直流电机中性点电位可表示为

$v_{NO}=\frac{v_p+v_n}{2}---\left(3\right)$

将式(3)代入式(2)中第3式，并考虑i_o＝0，断开相端电压可写为

$v_o=\frac{v_p+v_n}{2}+e_o---\left(4\right)$

由式(4)可知，如果已知导通相端电压v_p和v_n，通过断开相端电压v_o就可以确定断开相反电势e_o的过零点，设MOS管的导通电阻为R_DS，反并联二极管的导通压降为u_D，设通过MOS管T_pH和T_nH的电流分别为i₁和i₂，则直通矢量作用下端电压v_p和v_n分别为

$\left\{\begin{array}{c}{v}_p=(i_1-i_p)R_{DS}\\ v_n=(i_2-i_n)R_{DS}\end{array}\right.---\left(5\right)$

将式(5)代入式(4)，并考虑i_p＝﹣i_n，直通矢量作用下Z源网络输出电流i_in＝2i_L＝i₁+i₂，i_L为电感L₁上的电流值，则断开相的端电压为

v_o＝i_LR_DS+e_o (6)

由于MOS管导通电阻R_DS很小，所以MOS管导通压降i_LR_DS可以忽略。直通矢量作用下断开相端电压可简化为

v_o＝e_o (7)

由式(7)可知，在直通矢量作用下将断开相端电压与参考零电平进行比较即可获得断开相反电势的过零点。图5给出了比较电路的一个实施例，断开相端电压v_o经过电阻限流、二极管限幅后送入比较器芯片后与参考零电平V_ref进行比较，比较器芯片将向控制器输出比较逻辑结果。当断开相反电势e_o穿过零点，则断开相端电压v_o亦穿过零点，比较器芯片输出的比较逻辑结果将出现逻辑跳变。

参见图6，图6给出了在不同矢量作用下的断开相端电压的包络线。在反电势过零点附近，在直通矢量作用下的断开相端电压包络线满足式(7)所示的关系。设反并联二极管导通压降为u_D，受反并联二极管的影响，在直通矢量作用下，当e_o>u_D时，断开相上桥臂反并联二极管D_oH开通，则有v_o＝u_D>0；当e_o<-u_D时，断开相下桥臂反并联二极管D_oL开通，则v_o＝-u_D<0，由于只关心反电势过零点，所以反并联二极管的开通并不会影响反电势过零点检测。

由于无刷直流电机采用三相六步换相驱动方式，a、b、c三相分别在不同的换相周期成为断开相，因此端电压v_a、v_b、v_c应被输入到对应的比较电路或专用芯片，比较逻辑结果被输入过零点检测控制器，当断开相端电压对应的比较逻辑结果发生逻辑跳变，过零点检测控制器则输出一个过零点信号。

参见图7，图7将二端口网络替换为了一个准Z源网络，其他模块和控制方法保持不变。准Z源网络与三相桥式逆变器一起构成了一个准Z源逆变器，在直通矢量作用下，准Z源网络也可以保证电源不发生短路，同时也可以为驱动系统提供一个升压环节。Z源网络或准Z源网络使驱动系统采用互补PWM调制时也无需通过设置死区来避免直流电源短路，可进一步提高了驱动系统的安全性，其升压能力将有效提高直流电源电压利用率，适合于采用低电压电源的工业应用。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

综上所述，在较宽的转速范围内，本发明避免了切换检测点和参考电平，且无需针对不同调制方法分别设置相应的参考电平，同时提高直流电源电压利用率，尽量避免因断开相端电压衰减分压带来的检测误差，避免因使用互补PWM调制而必需设置的死区。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于无刷直流电机的反电势过零点检测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

在直流电源和三相桥式逆变器之间设置一个可避免直通矢量作用下电源正负极发生短路的二端口电路网络；

在直通矢量作用下利用比较器电路或专用芯片对无刷直流电机端电压的电平进行周期性过零点检测；

有效矢量和零矢量被专用于无刷直流电机调速或其他控制。

2.根据权利要求1所述的一种用于无刷直流电机的反电势过零点检测方法，其特征在于，所述无刷直流电机采用六步换相驱动策略，

在每一步中，无刷直流电机只有两相存在驱动电流，另外一相不存在驱动电流，存在驱动电流的电机定子绕组及三相桥式逆变器对应桥臂被称为导通相，不存在驱动电流的电机定子绕组及三相桥式逆变器对应桥臂被称为断开相。

3.根据权利要求1所述的一种用于无刷直流电机的反电势过零点检测方法，其特征在于，

所述直通矢量由三相桥式逆变器的导通两相中任一相的上桥臂、下桥臂两个开关管同时导通而产生，或，

由导通两相的四个开关管同时导通而产生，或，

由并联在三相桥式逆变器输入端的独立开关管导通而产生；

上述三种方式应控制断开相的上、下桥臂两个开关管保持关断。

4.根据权利要求1所述的一种用于无刷直流电机的反电势过零点检测方法，其特征在于，所述周期性过零点检测具体为：

在每个调制周期都将直通矢量作用下的断开相端电压与参考电平进行比较，若比较结果相对于上一个调制周期的比较结果发生变化则触发反电势过零点信号。

5.根据权利要求1所述的一种用于无刷直流电机的反电势过零点检测方法，其特征在于，所述二端口网络为：Z源网络或准Z源网络，

当为Z源网络时，Z源网络与所述三相桥式逆变器构成了一个Z源逆变器；

当为准Z源网络时，准Z源网络与所述三相桥式逆变器构成了一个准Z源逆变器。