徐 丹，李慶東，蔣 猛，李 博，孔維蓉，徐 波

(西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715)

0 引言

永磁直流無刷電機具有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、高效節(jié)能等優(yōu)點，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用到工業(yè)、民用等領(lǐng)域。在直流無刷電機控制系統(tǒng)中，確定轉(zhuǎn)子的位置從而確定換相時刻是控制的關(guān)鍵，以此決定每一時刻相繞組的通電狀態(tài)。但是，安裝位置傳感器增加了系統(tǒng)成本，使整個系統(tǒng)更復(fù)雜且抗干擾能力變差。所以，采用無位置傳感器的控制技術(shù)已成為直流無刷電機控制技術(shù)的一個發(fā)展方向。目前，對無位置傳感器直流無刷電機的研究主要有反電動勢過零檢測法、續(xù)流二極管導(dǎo)通檢測法、磁鏈法等方法。其中，通過測量斷開相繞組端電壓和電機中性點電壓之間的關(guān)系，間接獲得反電動勢過零點的檢測應(yīng)用最廣泛。該方法是一種直接有效的可獲得準確換相時刻的方法。以上方法為過零檢測提供了理論基礎(chǔ)，而在實際應(yīng)用中，利用軟件準確判斷和識別過零信號是保障直流無刷電機正常運行的關(guān)鍵。目前，對于過零信號檢測軟件識別方法的研究和分析，可提供參考的文獻較少。本文深入分析和研究一種應(yīng)用反電動勢過零檢測法，基于運算放大器并配合軟件獲得換相時刻的電路，其優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單，可通過兩種軟件識別方法準確檢測出過零時刻，給控制器提供準確的換相信息，提高了直流無刷電機的穩(wěn)定性。

1 直流無刷電機原理

對于三相繞組的直流無刷電機來說，要讓電機轉(zhuǎn)動起來，一般采用6個狀態(tài)方式導(dǎo)通。電路驅(qū)動圖如圖1所示。使電流按照一定的順序流經(jīng)電機三相繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子的永磁鐵相互作用，使電機按照一定方向循環(huán)轉(zhuǎn)動。電機運轉(zhuǎn)一個周期具有6個狀態(tài)，需要檢測轉(zhuǎn)子的6個特殊位置進而進行6次換相。為了使直流無刷電機在單位電流內(nèi)輸出的有效轉(zhuǎn)矩最大，每次換相都為一個確定的時刻，即繞組斷電后反電動勢為零時刻延后30°電角度的時刻。

圖1 直流無刷電機電路驅(qū)動圖

圖1 中，VD1～VD6為6個場效應(yīng)管，電機采用星形連接方式。根據(jù)6個確定的換相時刻，控制器不斷開閉相應(yīng)的功率管，使電機連續(xù)依同一個方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動。電路下方的3個場效應(yīng)管分別用PWM控制，以此達到控制電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等的要求。

2 反電動勢過零檢測原理及方法

圖1中，設(shè)場效應(yīng)管VT3和VT2同時導(dǎo)通，其他4個場效應(yīng)管處于關(guān)閉狀態(tài)，此時直流無刷電機的三相繞組中，B相接+UCC，C相接地，A相處于斷電狀態(tài)，該狀態(tài)的等效電路如圖2所示。此時，N點為BC兩相繞組的電壓中點。隨著永磁轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)通過A相繞組的磁通Φ會隨之改變，使得該狀態(tài)中A相的反電動勢會正負交變，其中只存在一個時刻A相中反電動勢為零，即為所要檢測的反電動勢過零點，如圖3所示。

圖2中，反電動勢和各點的電位計算值分別如式(1)～式(3)所示。當Ea正負交變時，A點電位UA會在上下發(fā)生變化，當反電動勢Ea過零時則UA=UN，如式(4)所示。因此，若運用一個比較電路來比較UA和UN的大小，即可準確找出過零點。當檢測出反電動勢的過零時刻后再延后30°電角度即為控制器運行需要確定的換相時刻。

圖2 BC相通電時刻的等效電路

圖3 反電動勢過零時刻

式中:n——電樞轉(zhuǎn)速;

KE——與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù);

φ——磁極的磁通。

本文提出的基于運放的反電動勢過零檢測電路如圖4所示。ABC為電機三相繞組的首端。圖中比較器的原理:當同相輸入端電壓高于反相輸入端的電壓時，電壓比較器輸出的信號為高電平;當同相輸入端電壓低于反相輸入端電壓時，電壓比較器輸出信號為低電平。檢測A相過零的等效電路如圖5所示。結(jié)合圖2可知，圖5中運放的同相輸入端構(gòu)造出BC兩相的電壓中點，與反相端輸入的A相電壓進行比較，在過零這一特殊時刻，取 R6、R7、R9三個阻值相等，再通過已知的BC兩相電動勢用節(jié)點電壓法可計算出5個電阻的關(guān)系，如式(5)～式(7)所示(僅適用于過零時刻)。

為了滿足運放對共模信號的要求，同相端和反向端的輸入電壓為比較器電源電壓的一半。

圖4 反電動勢過零檢測電路

圖5 檢測A相過零的等效電路

3 試驗分析

本文提出的永磁直流無刷電機反電動勢過零檢測電路主要以單片機PIC18F23K20和芯片IRS2136全橋方式控制PWM構(gòu)成的直流無刷電機控制系統(tǒng)。試驗中采用一臺9對磁極的直流無刷電機，運放采用芯片TLC2254，試驗中以A相繞組反電動勢過零點的檢測為例。

實測的ABC三相與A相過零信號輸出圖如圖6所示。從圖6中可以看到，控制器運行的多個周期內(nèi)，A相運放的輸出信號有多個相應(yīng)的反電動勢過零時刻，運放輸出信號可準確變換高低電平，發(fā)出過零時刻的信號。圖7為圖6其中一個過零時刻的細節(jié)圖，該圖中清楚顯示了A相運放輸出信號在過零時刻的前端有多個不規(guī)整的三角脈沖，且脈沖的上升沿和下降沿都有延遲。圖8為理想與實際A相運放輸出信號對比圖，該圖中三角脈沖的產(chǎn)生是由于阻容耦合及運放本身所導(dǎo)致的輸出信號延遲。

圖6 ABC三相與A相過零信號輸出圖

圖7 信號細節(jié)圖

圖8 理想與實際運放輸出信號對比圖

由輸出信號分析可知，軟件判斷過零時刻不能直接使用中斷方式和查詢方式檢測，輸出信號在過零時刻高低電平轉(zhuǎn)換之前存在很多不規(guī)整三角脈沖。這些干擾信號會導(dǎo)致控制器接收錯誤的過零時刻信號，致使其發(fā)出錯誤的換相信息。因此，控制器采用中斷方式檢測過零點時，必須在過零檢測電路后增加一個比較電路，如圖9所示。圖9中，二級比較器的反相端采用兩個電阻分壓，反相端參考電壓為Uf。當一級比較器輸出信號電壓低于參考電壓Uf時，二級運放輸出信號電平維持前一狀態(tài)，直到輸出信號電壓高于Uf時，即為輸出信號過零的高低電平轉(zhuǎn)換時刻。

圖9 中斷方式下標準輸出信號電路圖

以此二級運放可以濾掉不規(guī)整的三角脈沖，形成標準的矩形脈沖過零信號;如果CPU采用查詢方式檢測過零點，使用原始電路圖5即可，但要選擇在PWM周期中低電平期間查詢過零信號，這樣可以避開檢測信號中不規(guī)整的三角脈沖，同時由于阻容耦合和運放帶來的信號延遲，查詢要在PWM低電平初始進行小段延時后進行查詢，當查詢到輸出信號高低電平發(fā)生轉(zhuǎn)換的瞬間，即為所要檢測的A相過零時刻。相比中斷方式，查詢方式電路的整體結(jié)構(gòu)相對簡單，但是不斷查詢會占用CPU大量的時間。

4 結(jié)語

本文通過對提出的反電動勢過零檢測電路的各部分信號的實時監(jiān)測與深入分析，進一步提出了配合該電路的軟件識別過零信號的方法。當控制器采用中斷方式檢測過零點，則必須在過零檢測電路后增加一個比較電路，過濾不規(guī)整的三角脈沖，以形成標準的矩形脈沖;如果CPU采用查詢方式檢測過零點，則應(yīng)在PWM的低電平期間進行查詢，并在低電平初始階段有小段延時，否則會出現(xiàn)錯誤的結(jié)果。試驗論證了通過以上兩種軟件控制方式可準確獲得永磁直流無刷電機過零時刻的信號，論證了本文提出的電路具有可行性。

[1]譚建成.永磁無刷直流電機技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社，2011.

[2]朱俊杰，粟梅，陳程，等.無刷直流電機反電勢過零檢測新方法[J].儀器儀表學(xué)報，2013，34(2):441-447.

[3]張磊，瞿文龍，陸海峰，等.一種新穎的無刷直流電機位置傳感器新方法[J].電工技術(shù)學(xué)報，2006，21(10):26-30.

[4]秦曾煌.電工學(xué)上冊——電工技術(shù)[M].北京:高等教育出版社，2009.

[5]朱樂樂，王宜懷，胡玉鑫，等.基于DSC的無刷直流電動機過零檢測方法[J].微特電機，2013，41(1):24-27.

[6]譚建成.無刷直流電機無位置傳感器控制關(guān)鍵技術(shù)研究[D].武漢:華中科技大學(xué)，2010.

[7]SHAO J，NOLAN D，HOPKINS T.A novel direct back EMF detection forsensorless brushless DC(BLDC)motor drives[C]∥Applied Power Electronic Con-ference(APEC)，2002:33-38.