寬調速範圍無刷直流電機無位置傳感器控制裝置及方法
2023-05-24 04:39:46
專利名稱：寬調速範圍無刷直流電機無位置傳感器控制裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種無刷直流電機無位置傳感器控制裝置及方法，特別是一種具有低成本特點且可以有效提高位置檢測精度、實現寬調速範圍的無刷直流電機無位置傳感器控制裝置及方法。
背景技術：
目前，無刷直流電機無位置傳感器控制採用的常規方法是反電勢過零點檢測法。 這種檢測方法主要應用在兩兩導通、三相六狀態的方波無刷直流電機中。其工作原理為 由於無刷直流電機未導通相的反電勢在一個周期內都存在兩次過零點，並且每個過零點都超前下次換相點30°電角度。因此，只要檢測出電機未導通相繞組中的每個過零點，再延遲30°電角度，就可以得到下次換相點的時刻，從而實現無位置傳感器控制。但是，傳統的反電勢過零點檢測法存在以下缺陷首先，低速時反電勢採樣信號幅值較小，現有方法難以實現反電勢過零點的精確檢測，導致無刷直流電機無位置傳感器控制系統的低速運行性能不理想，無法實現寬調速範圍，限制了現有無位置傳感器控制技術的應用範圍。其次，如圖3所示由於受到調速運行時脈寬調製影響，現有方法中的反電勢採樣信號包含豐富的高頻幹擾，導致位置檢測精度不高，影響了調速性能。第三、現有方法大都採用端電壓與重構的電機中心點相比較以間接得到反電勢過零點，實現方法通常採用模擬比較器和相關外圍硬體電路來實現，從而增加了系統的成本。上述原因嚴重限制了無刷直流電機無位置傳感器控制系統的應用推廣。
發明內容
本發明的目的在於針對已有技術存在的缺陷，提出一種寬調速範圍的無刷直流電機無位置傳感器控制裝置及方法，從而有效提高低速運行時反電勢的檢測精度，實現寬調速範圍運行。為達到上述目的，本發明的構思如下通過微控制器的模數轉換通道對電機三相繞組的端電壓進行採樣。利用基於壓差轉換的信號處理算法對三相繞組的端電壓採樣信號進行處理，得到包含斷開相反電勢信息且幅值為斷開相反電勢幅值兩倍的反饋信號， 並使之與零電位進行比較，兩者值相等的時刻視為獲得反電勢過零點的時刻，以此作為電機繞組換相的依據來實現無刷直流電機的無位置傳感器控制以省卻傳感器的費用。採用具有良好性價比的微控制器用軟體方法判斷反電勢過零點，結合兩相導通的功率管同時進行 PWM斬波控制的調製模式，包含斷開相反電勢信息的採樣信號將不受脈寬調製幹擾的影響 (如圖4所示)，過零點處波形光滑、清晰，進一步提高了本發明裝置和方法的運行性能和可靠性。同時無需像傳統方法通過對端電壓信號進行濾波來消除高頻開關噪聲以取得反電勢過零點，從而省卻濾波器電路和模擬比較器，最大地簡化系統的外圍電路，達到降低系統成本的目的。基於壓差轉換方法的信號處理算法具體描述為利用微控制器的模數轉換通道實時採樣電機三相繞組的端電壓值，通過軟體算法分別計算相序超前(相對於斷開相繞組) 的繞組端電壓和斷開相繞組端電壓之間的電壓差Ul和斷開相繞組端電壓與相序滯後(相對於斷開相繞組)的繞組端電壓之間的電壓差U2。Ul和U2之間的電壓差U即為包含斷開相繞組反電勢信息的反饋信號。根據電機學原理可知，其幅值為實際斷開相反電勢幅值的兩倍，且過零點時刻相同；
根據上述的發明構思，本發明採用下述技術方案
一種寬調速範圍的無刷直流電機無位置傳感器控制裝置，包括直流電源、三相逆變器、 無刷直流電機、三相逆變器功率器件驅動電路、微控制器和轉子位置檢測電路，其特徵在於直流電源經三相逆變器和無刷直流電機連接；轉子位置檢測電路連接無刷直流電機進行檢測後輸出的信號直接連接至微控制器的模數轉換輸入引腳；微控制器的六路輸出經三相逆變器功率器件驅動電路連接至三相逆變器。上述三相逆變器功率器件驅動電路採用 IR2136，其 HIN1、LIN1、HIN2、LIN2、HIN3 和 LIN3 引腳連接微控制器，而 HOI、VS1、L01、H02、 VS2、L02、H03、VS3和L03引腳連接到三相逆變器。上述微控制器採用英飛凌公司的專用電機控制晶片)(C878，其AN0、AN1和AN2引腳連接轉子位置檢測電路，CC60、C0UT60、CC61、 C0UT61、CC62和C0UT62引腳連接三相逆變器功率器件驅動電路。上述轉子位置檢測電路由一個分壓電阻網絡組成。採用上述無刷直流電機無位置傳感器控制裝置進行控制的方法是首先利用 XC878型單片機內部的定時器T12
周期-匹配中斷(定時器T12的周期值！^為60。電角度對應的時間)進行換相控制，並更新 PWM佔空比的值；接著啟動單片機的模數轉換器ADC採樣三相繞組的端電壓，利用產生PWM 信號的定時器Ti3的周期-匹配中斷觸發模數轉換；單片機將採樣值經過基於壓差轉換的信號處理方法處理，得到的反饋值π與零電位進行比較，二者值相等的時刻為獲得反電勢過零點的時刻，此時記錄下從換相到反電勢過零點所經歷的電角度對應的時間T ；以
-和當前換相周期·^為依據，將下一個換相周期更新為fj ；· +TV ,以響應速度的變化；即
I1I2
當反電勢逐漸降低時，如果U >0，則繼續採樣比較，當 <0的瞬間，記下此時定時器T12 的計數值T2 ,T2為從上一次換相到反電勢過零點所經歷的30°電角度對應的時間，反電勢逐漸增加的情況與之類似，只不過IJ從小於0變為大於0 ；最後將定時器T12的周期值更新
為(1 + ),即更新電機的換相周期，以響應速度的變化；重複以上過程，得以實現無刷直流電機的無位置傳感器控制。上述的基於壓差轉換的信號處理方法為通過微控制器的模數轉換通道對電機三相繞組的端電壓進行採樣；利用電機三相繞組的端電壓採樣值，分別計算相序相對於斷開
相超前相的繞組端電壓UP+1和斷開相繞組端電壓uP之間的電位差U1以及斷開相繞組
端電壓UjP與相序相對於斷開相滯後相的繞組端電壓之間的電位差Uj ,計算公式分
別如式(1)和(2)所示；然後計算t/j和巧之間的電位差t/,計算公式如式(3)所亍」即為經壓差轉換方法處理後包含反電勢信息的反饋信號，其幅值為實際斷開相反電勢幅值的兩倍，且過零點時刻相同；
權利要求
1.一種寬調速範圍無刷直流電機無位置傳感器控制裝置，包括直流電源(1)、三相逆變器(2)、無刷直流電機(3)、三相逆變器功率器件驅動電路(4)、微控制器(5)和轉子位置檢測電路(6)，其特徵在於所述直流電源(1)經所述三相逆變器(2)與所述無刷直流電機 (3 )連接；所述轉子位置檢測電路(6 )連接所述無刷直流電機(3 )進行檢測後輸出的信號直接連接至所述微控制器(5)的模數轉換輸入引腳；所述微控制器(5)的六路輸出經所述三相逆變器功率器件驅動電路(4)連接至所述三相逆變器(2)；所述三相逆變器功率器件驅動電路(4)採用頂2136型三相功率驅動器，其Him、LINl、 HIN2、LIN2、HIN3 和 LIN3 引腳連接微控制器(5)，HOI、VS1、L01、H02、VS2、L02、H03、VS3 和 L03引腳連接到三相逆變器(2);所述微控制器(5)採用XC878型單片機，其AMKANl和AN2 引腳連接轉子位置檢測電路(6)，CC60、C0UT60、CC61、C0UT61、CC62和C0UT62引腳連接三相逆變器功率器件驅動電路(4)；所述轉子位置檢測電路(6)由一個分壓電阻網絡組成；功率逆變器採用兩兩導通的6拍工作模式，兩管導通時全部採用PWM斬波控制方式。
2 一種寬調速範圍無刷直流電機無位置傳感器控制方法，採用根據權利要求1所述的寬調速範圍無刷直流電機無位置傳感器控制裝置進行控制，其特徵在於控制步驟如下由微控制器)(C878中的模數轉換通道對電機三相繞組的端電壓進行採樣，用基於壓差轉換方法的信號處理算法對三相繞組的端電壓採樣信號進行處理，得到含有斷開相反電勢信息且幅值為實際反電勢幅值兩倍的反饋信號，並使之與零電位進行比較，兩者值相等的時刻視為獲得反電勢過零點的時刻，以此作為電機繞組換相的依據來實現無刷直流電機的無位置傳感器控制；具體步驟如下首先進行換相；接著啟動)(C878單片機內嵌的模數轉換單元採樣三相繞組的端電壓；然後單片機將採樣值經過基於壓差轉換的信號處理方法進行處理， 得到的反饋值U與零電位進行比較，二者值相等的時刻為獲得反電勢過零點的時刻，此時記錄下從換相到反電勢過零點所經歷的30°電角度對應的時間-；以-和當前換相周期^為依據，將下一個換相周期更新為if巧+T),以響應速度的變化；重複以上過程，得以實現無刷直流電機的無位置傳感器控制。
3.根據權利要求2所述的寬調速範圍無刷直流電機無位置傳感器控制方法，其特徵在於所述基於壓差轉換的信號處理方法為通過微控制器的模數轉換通道對電機三相繞組的端電壓進行採樣；利用電機三相繞組的端電壓採樣值，分別計算相序相對於斷開相超前相的繞組端電壓J和斷開相繞組端電壓Bp之間的電位差U以及斷開相繞組端電壓Up與相序相對於斷開相滯後相的繞組端電之間的電位差,計算公式分別如式(1)和(2)所示；然後計算之間的電位差7 ,計算公式如式(3)所示 』 U即力經壓差轉換方法處理後包含反電勢信息的反饋信號，其幅值為實際斷開相反電勢幅值的兩倍，且過零點時刻相同； U1 = Up+1-Up (1)U2 = Up - UP_J (2)U = U1-U2(3)。
全文摘要
本發明涉及一種寬調速範圍無刷直流電機無位置傳感器控制裝置及方法。本裝置包括直流電源、三相逆變器、無刷直流電機、三相逆變器功率器件驅動電路、微控制器和轉子位置檢測電路。直流電源經三相逆變器與無刷直流電機連接；轉子位置檢測電路連接無刷直流電機進行檢測後輸出的信號直接連接至微控制器的模數轉換輸入引腳；微控制器的六路輸出經三相逆變器功率器件驅動電路連接至三相逆變器。本方法利用XC878單片機內嵌的模數轉換單元採樣得到電機三相繞組的端電壓，用基於壓差轉換的信號處理方法對採樣值進行實時計算處理，得到含有斷開相反電勢信息且幅值為實際反電勢幅值兩倍的反饋信號，獲取反電勢過零點作為電機繞組換相的依據，從而提高了低速運行時反電勢過零點的檢測精度，達到寬調速範圍運行的目的。
文檔編號H02P7/29GK102545749SQ20121000281
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月6日 優先權日2012年1月6日
發明者付江波, 崔巍, 苗會彬, 駱苗 申請人:上海大學