一種無位置傳感器無刷直流電機(jī)的無硬件濾波換相方法
【專利摘要】一種無位置傳感器無刷直流電機(jī)的無硬件濾波換相方法，涉及無刷直流電機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域，采用H_ON?L_PWM調(diào)制方式，步驟如下：判斷電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器下橋PWM是否為導(dǎo)通狀態(tài)；若為“是”，根據(jù)公式：進(jìn)行判斷；上橋臂換相時(shí)、計(jì)算關(guān)斷相續(xù)流持續(xù)時(shí)間tu，下橋臂換相時(shí)、計(jì)算關(guān)斷相續(xù)流持續(xù)時(shí)間td，隨后換相；采用本發(fā)明的直流電機(jī)控制器，在功能達(dá)到預(yù)定需求的情況下可省去硬件濾波電路部分，降低成本、節(jié)約空間，且可避開PWM開關(guān)噪聲和換相時(shí)電流續(xù)流噪聲的干擾。
【專利說明】
一種無位置傳感器無刷直流電機(jī)的無硬件濾波換相方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及無刷直流電機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域，詳細(xì)的講是一種電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)判 斷精準(zhǔn)、電機(jī)三相換相時(shí)刻正確、能夠通過軟件濾除干擾的無位置傳感器無刷直流電機(jī)的 無硬件濾波換相方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且穩(wěn)定可靠，與傳統(tǒng)的有刷直流電機(jī)相比，其安全、無火花 且效率更高，但由于位置傳感器的安裝既增加了電機(jī)的體積、提高了成本，又會(huì)增加信號(hào)線 的數(shù)量，使電機(jī)的可靠性降低，近年來無位置傳感器無刷直流電機(jī)的控制和電機(jī)的換相方 法成為許多專家學(xué)者的研究熱點(diǎn)。
[0003] 反電動(dòng)勢(shì)法是現(xiàn)在得到普遍應(yīng)用的方法之一，對(duì)于使用最多的星形連接二二導(dǎo)通 三相六狀態(tài)工作方式，除換相瞬間，均存在一相非導(dǎo)通相。因此，可通過非導(dǎo)通相反電動(dòng)勢(shì) 的變化情況來得到反電動(dòng)勢(shì)的過零點(diǎn)，進(jìn)而可得到正確的換相時(shí)刻。有一種方法是不通過 電機(jī)的中性點(diǎn)電壓，直接檢測(cè)PWM為OFF時(shí)刻的反電動(dòng)勢(shì)來獲得過零點(diǎn)信號(hào)，從而正確換相， 對(duì)高頻噪聲不敏感且不需要硬件濾波電路，但該方法在PWM全開時(shí)無法工作。還有一種改良 后的基于擴(kuò)展卡爾曼濾波的反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)方法，該方法相比而言有較多的運(yùn)算模塊，對(duì)控 制芯片的運(yùn)算能力提出了較高要求，增加了控制成本。有人提出了一種利用反電動(dòng)勢(shì)的特 點(diǎn)基于坐標(biāo)變換來構(gòu)建轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，實(shí)現(xiàn)正確換相的方法。有人設(shè)計(jì)了一種固定相位滯 后的低通濾波器電路，來提取反電動(dòng)勢(shì)的基波信號(hào)。還有人提出了一種改進(jìn)的通過檢測(cè)電 機(jī)線電壓來計(jì)算得到反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)和一種利用線反電動(dòng)勢(shì)過零原理來獲得換相時(shí)刻的 方法。但由于PWM開關(guān)噪聲的存在以及換相瞬間電流續(xù)流產(chǎn)生的噪聲，上述三種方法均建立 在通過硬件電路進(jìn)行濾波的基礎(chǔ)上。深度的低通濾波會(huì)帶來較大的相位延遲，若濾波不徹 底仍會(huì)帶來噪聲，產(chǎn)生誤判斷。
[0004] 為補(bǔ)償深度低通濾波電路帶來的相位延遲，上述產(chǎn)生相位延遲的方法均同時(shí)提出 了各自的補(bǔ)償方法。此外，也有許多人專門針對(duì)相位誤差和其補(bǔ)償方法進(jìn)行了討論。有一種 方法是利用端電壓偏差能夠反映轉(zhuǎn)子位置信號(hào)相移，通過PI調(diào)節(jié)器予以消除。還有一種方 法是利用非導(dǎo)通相續(xù)流電流的偏差能夠反映轉(zhuǎn)子信號(hào)相位誤差，同樣通過PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行補(bǔ) 償，實(shí)現(xiàn)正確換相。以上方法雖然對(duì)相位誤差進(jìn)行了補(bǔ)償，但這樣不僅在硬件上增加了復(fù)雜 的濾波電路，在軟件上增加了計(jì)算量，而且在PWM調(diào)制方式等使用條件有著一定的限制，使 該方法產(chǎn)生了一定的局限性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是解決上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)判斷精 準(zhǔn)、電機(jī)三相換相時(shí)刻正確、能夠通過軟件濾除干擾的無位置傳感器無刷直流電機(jī)的無硬 件濾波換相方法。
[0006] 本發(fā)明解決上述現(xiàn)有技術(shù)的不足所采用的技術(shù)方案是：
[0007] 無位置傳感器無刷直流電機(jī)無硬件濾波換相方法，采用H_〇N-L_pmi調(diào)制方式，其 特征在于包括如下步驟：
[0008] 1)在ADC中斷中采集電機(jī)三相電壓和電流值，再檢測(cè)電機(jī)控制器控制芯片的PWM模 塊寄存器的狀態(tài)，判斷電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器下橋PWM是否為導(dǎo)通狀態(tài)(簡(jiǎn)稱為PWM為0N狀態(tài)）；
[0009] 2)若為"否"，說明此時(shí)不應(yīng)進(jìn)行反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)判斷，退出ADC中斷，重復(fù)步驟1)
的操作;若為"是"，說明此時(shí)應(yīng)進(jìn)行反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)判斷，根據(jù)公式 動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)判斷；
[0010] 3)將控制芯片記錄的上一步換相延時(shí)時(shí)間、與新檢測(cè)到的當(dāng)前換相延時(shí)時(shí)間作平 均值，將其作為新的換相延時(shí)時(shí)間，進(jìn)行換相延時(shí)修正；
[0011] 4)在進(jìn)行上述操作期間，若定時(shí)器達(dá)到定時(shí)周期預(yù)定值，則進(jìn)入定時(shí)器中斷，進(jìn)行 定時(shí)計(jì)數(shù)操作；
[0012] 5)在步驟2)判斷到達(dá)過零點(diǎn)后，判斷定時(shí)計(jì)數(shù)值是否達(dá)到修正后的換相延時(shí)的時(shí) 亥IJ，若為"否"，則退出定時(shí)器中斷重新等待進(jìn)入定時(shí)器中斷判斷，再次進(jìn)行定時(shí)計(jì)數(shù)操作； 若為"是"，則利用ADC中斷中采集的電機(jī)三相電流值，當(dāng)上橋臂換相時(shí)，通過上橋臂續(xù)流時(shí)
-計(jì)算關(guān)斷相續(xù)流持續(xù)時(shí)間tu，當(dāng)下橋臂換相時(shí)，通過下橋臂續(xù)流時(shí)間表達(dá)
I對(duì)關(guān)斷相續(xù)流持續(xù)時(shí)間td進(jìn)行計(jì)算，隨后進(jìn)行換相操作；
[0013] 6)換相完成后對(duì)定時(shí)計(jì)數(shù)值是否達(dá)到剛剛所計(jì)算的相應(yīng)換相橋臂的續(xù)流時(shí)間tu (td)進(jìn)行判斷，若為"否"，說明仍在續(xù)流期間，則退出定時(shí)器中斷，并重新進(jìn)入定時(shí)器中斷， 進(jìn)行定時(shí)計(jì)數(shù)操作，并再次進(jìn)行判斷定時(shí)計(jì)數(shù)值是否達(dá)到續(xù)流時(shí)間t u(td);若為"是"，說明 已完成續(xù)流，干擾消除，退出定時(shí)器中斷，本次換相循環(huán)結(jié)束，進(jìn)行下一次換相循環(huán)。
[0014] 其中，進(jìn)入ADC中斷的頻率遠(yuǎn)大于進(jìn)入定時(shí)器中斷的頻率，從而保證定時(shí)器所采用 的電壓電流值都是實(shí)時(shí)變化的。
[0015] ea、eb、ec為定子繞組相反電動(dòng)勢(shì);~。、^。、~。為三相繞組輸出端對(duì)直流電源地的電 壓，即各相的端電壓;Us表示直流電源對(duì)直流電源地電壓;L為每相繞組的自感與互感之差； I為換相前A相中電流的穩(wěn)態(tài)值;d為PWM占空比。
[0016] 本發(fā)明中，由于步驟1)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器下橋PWM的0N狀態(tài)的判斷是在無位置傳 感器無硬件濾波電路的情況下通過對(duì)非導(dǎo)通相端電壓進(jìn)行定區(qū)間檢測(cè)；步驟5)及步驟6)對(duì) 于是否達(dá)到續(xù)流時(shí)間t的判斷，是對(duì)換相時(shí)的續(xù)流噪聲采取適當(dāng)?shù)难訒r(shí)操作來避開其干擾 從而精準(zhǔn)確定換相時(shí)刻。因此通過軟件濾波的方法克服了現(xiàn)有技術(shù)中有硬件濾波的情況下 帶來的相位延遲的問題，采用本發(fā)明的直流電機(jī)控制器，在功能達(dá)到預(yù)定需求的情況下可 省去硬件濾波電路部分，降低成本、節(jié)約空間，且可避開PWM開關(guān)噪聲和換相時(shí)電流續(xù)流噪 聲的干擾。
【附圖說明】
[0017] 圖1為基于端電壓的無刷直流電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路。
[0018] 圖2為理想反電動(dòng)勢(shì)波形圖。
[0019] 圖3*Η_0Ν-?_ρ·\νΜ調(diào)制方式下開關(guān)管導(dǎo)通圖。
[0020] 圖4為H_0N-L_P麗調(diào)制方式占空比d不為100%時(shí)部分8、(：相導(dǎo)通^相導(dǎo)通-(：、八 相導(dǎo)通 -C、B相導(dǎo)通-A、B相導(dǎo)通-部分A、C相導(dǎo)通期間C相端電壓波形圖。
[0021] 圖5為H_0N-L_PWM調(diào)制方式占空比d不為100%時(shí)A、B相導(dǎo)通VT6開啟時(shí)等效電路 圖。
[0022] 圖6為H_0N-L_PWM調(diào)制方式占空比d不為…(^時(shí)厶^相導(dǎo)通乂~關(guān)斷時(shí)等效電路 圖。
[0023]圖7為A相、C相導(dǎo)通換為B相、C相導(dǎo)通后的電流流向示意圖，其中（a)為Pmi為0N時(shí) 的電流流向示意圖，（b)PWM為OFF時(shí)的電流流向示意圖。
[0024]圖8為C相、A相導(dǎo)通換為C相、B相導(dǎo)通后的電流流向示意圖，其中（a)為WM為0N時(shí) 的電流流向示意圖，（b)為PWM為OFF時(shí)的電流流向示意圖。
[0025]圖9為本發(fā)明中斷流程圖。
[0026] 圖10為固定占空比d但不同負(fù)載下的電機(jī)C相端電壓波形放大圖，其中（a)為d = 0.5，母線電流15 = 0.1^時(shí)的波形放大圖，（13)為(1 = 0.5，母線電流15 = 0.34時(shí)的波形放大圖， (c)為d = 0.5,母線電流Is = 0.6A時(shí)的波形放大圖。
[0027] 圖11為固定負(fù)載但不同占空比d下的電機(jī)C相端電壓波形放大圖，其中（a)為d = 0.4,母線電流Is = 0.26A時(shí)的放大圖，（b)為d = 0.6,母線電流Is = 0.37A時(shí)的放大圖，（c)為d =0.8，母線電流15 = 0.49六時(shí)的放大圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]無位置傳感器無刷直流電機(jī)無硬件濾波換相方法，采用H_0N-L_Pmi調(diào)制方式，其 特征在于包括如下步驟：
[0029] 1)在ADC中斷中采集電機(jī)三相電壓和電流值，再檢測(cè)電機(jī)控制器控制芯片的PWM模 塊寄存器的狀態(tài)，判斷電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器下橋PWM是否為導(dǎo)通狀態(tài)(簡(jiǎn)稱為PWM為0N狀態(tài)）；
[0030] 2)若為"否"，說明此時(shí)不應(yīng)進(jìn)行反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)判斷，退出ADC中斷，重復(fù)步驟1)
的操作;若為"是"，說明此時(shí)應(yīng)進(jìn)行反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)判斷，根據(jù)公式： 動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)判斷；
[0031] 3)將控制芯片記錄的上一步換相延時(shí)時(shí)間、與新檢測(cè)到的當(dāng)前換相延時(shí)時(shí)間作平 均值，將其作為新的換相延時(shí)時(shí)間，進(jìn)行換相延時(shí)修正；
[0032] 4)在進(jìn)行上述操作期間，若定時(shí)器達(dá)到定時(shí)周期預(yù)定值，則進(jìn)入定時(shí)器中斷，進(jìn)行 定時(shí)計(jì)數(shù)操作;定時(shí)周期大于其本身中斷子程序執(zhí)行周期，周期越短越好；
[0033] 5)在步驟2)判斷到達(dá)過零點(diǎn)后，判斷定時(shí)計(jì)數(shù)值是否達(dá)到修正后的換相延時(shí)的時(shí) 亥IJ，若為"否"，則退出定時(shí)器中斷重新等待進(jìn)入定時(shí)器中斷判斷，再次進(jìn)行定時(shí)計(jì)數(shù)操作； 若為"是"，則利用ADC中斷中采集的電機(jī)三相電流值，當(dāng)上橋臂換相時(shí)，通過上橋臂續(xù)流時(shí)
-計(jì)算關(guān)斷相續(xù)流持續(xù)時(shí)間tu，當(dāng)下橋臂換相時(shí)，通過下橋臂續(xù)流時(shí)間表達(dá)
對(duì)關(guān)斷相續(xù)流持續(xù)時(shí)間td進(jìn)行計(jì)算，隨后進(jìn)行換相操作；
[0034] 6)換相完成后對(duì)定時(shí)計(jì)數(shù)值是否達(dá)到剛剛所計(jì)算的相應(yīng)換相橋臂的續(xù)流時(shí)間tu (td)進(jìn)行判斷，若為"否"，說明仍在續(xù)流期間，則退出定時(shí)器中斷，并重新進(jìn)入定時(shí)器中斷， 進(jìn)行定時(shí)計(jì)數(shù)操作，并再次進(jìn)行判斷定時(shí)計(jì)數(shù)值是否達(dá)到續(xù)流時(shí)間tu(td);若為"是"，說明 已完成續(xù)流，干擾消除，退出定時(shí)器中斷，本次換相循環(huán)結(jié)束，進(jìn)行下一次換相循環(huán)。
[0035] 其中，進(jìn)入ADC中斷的頻率遠(yuǎn)大于進(jìn)入定時(shí)器中斷的頻率，從而保證定時(shí)器所采用 的電壓電流值都是實(shí)時(shí)變化的。
[0036] ea、eb、ec為定子繞組相反電動(dòng)勢(shì);1^。、仙。、11。。為三相繞組輸出端對(duì)直流電源地的電 壓，即各相的端電壓;Us表示直流電源對(duì)直流電源地電壓;L為每相繞組的自感與互感之差； I為換相前A相中電流的穩(wěn)態(tài)值;d為PWM占空比。
[0037]本發(fā)明中，由于步驟1)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器下橋PWM的0N狀態(tài)的判斷是在無位置傳 感器無硬件濾波電路的情況下通過對(duì)非導(dǎo)通相端電壓進(jìn)行定區(qū)間檢測(cè)；步驟5)及步驟6)對(duì) 于是否達(dá)到續(xù)流時(shí)間t的判斷，是對(duì)換相時(shí)的續(xù)流噪聲采取適當(dāng)?shù)难訒r(shí)操作來避開其干擾 從而精準(zhǔn)確定換相時(shí)刻。因此通過軟件濾波的方法克服了現(xiàn)有技術(shù)中有硬件濾波的情況下 帶來的相位延遲的問題，采用本發(fā)明的直流電機(jī)控制器，在功能達(dá)到預(yù)定需求的情況下可 省去硬件濾波電路部分，降低成本、節(jié)約空間，且可避開PWM開關(guān)噪聲和換相時(shí)電流續(xù)流噪 聲的干擾。
[0038]本發(fā)明的原理及效果分析如下：
[0039] 本發(fā)明應(yīng)用的基礎(chǔ)建立在使用端電壓法檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)的基礎(chǔ)上，其主電路 原理圖如圖1所示。
[0040] 根據(jù)電路圖，可以得出無刷直流電機(jī)的三相繞組端電壓的方程組為
[0042] 式中ua。、ub。、Uc。為三相繞組輸出端對(duì)直流電源地的電壓，即各相的端電壓；i a、ib、 ic為定子繞組相電流;Rs為每相繞組的電阻;L為每相繞組的自感與互感之差;ea、eb、 ec為定 子繞組相反電動(dòng)勢(shì);un為三相繞組中性點(diǎn)N對(duì)電源地的電壓。
[0043] 電機(jī)導(dǎo)通方式采用二二導(dǎo)通三相六狀態(tài)，以A、B相導(dǎo)通為例，即VTjPVT6導(dǎo)通。因此 可得電流關(guān)系為
[0044] ia = -ib, ic = 0 (2)
[0045] 根據(jù)C相電流為零，可由式(1)的第三項(xiàng)得
[0046] uc〇 = ec+UN (3)
[0047] 另外可根據(jù)理想梯形反電動(dòng)勢(shì)波形得，在C相反電動(dòng)勢(shì)的過零點(diǎn)處
[0048] ea+eb+ec = 0 (4)
[0049] 于是將式(1)的前兩項(xiàng)與式(3)相加，并代入式(4)可算出中性點(diǎn)電壓
[0051]因此由式(3)和式(5)可得C相反電動(dòng)勢(shì)過零檢測(cè)方程
[0053]同理可得在其它導(dǎo)通情況下的A相、B相反電動(dòng)勢(shì)過零檢測(cè)方程，整理可得
[0055] 進(jìn)一步可得，在A、B相導(dǎo)通，C相反電動(dòng)勢(shì)過零時(shí)
[0056] ea = ~eb (8)
[0057] 由式（1)、式(2)、式(3)和式(8)聯(lián)立可得在過零點(diǎn)附近簡(jiǎn)化的過零點(diǎn)檢測(cè)表達(dá)式：
[0059]式(9)的目的是檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)，因此當(dāng)反電動(dòng)勢(shì)通過零點(diǎn)時(shí)，式(9)成立。此 外由圖1可得在A相、B相導(dǎo)通情況下有如下方程組
[0061 ] 式中ua、ub為三相繞組中A、B相輸出端對(duì)中性點(diǎn)N的電壓，即相電壓;Us表示電源對(duì) 電源地電壓。由式(2)、式(8)、式(10)可得
[0063]所以由式(3)、式（11)可得C相化簡(jiǎn)后的反電動(dòng)勢(shì)過零檢測(cè)方程，進(jìn)而可得到三相 化簡(jiǎn)后的反電動(dòng)勢(shì)過零檢測(cè)方程組為
[0065] 式（12)的目的是檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)，因此當(dāng)反電動(dòng)勢(shì)通過零點(diǎn)時(shí)，式（12)成立。
[0066] 圖 1 中 Ri = R3 = R5 = R7，R2 = R4 = R6 = R8，分壓得到 Uh，Ua。，Ub。，Uc。后輸入檢測(cè)引腳，以 便滿足芯片ADC模塊的測(cè)量范圍要求。
[0067] 圖2所示為無刷直流電機(jī)在星形連接二二導(dǎo)通三相六狀態(tài)的情況下，三相反電動(dòng) 勢(shì)的理想波形。由圖可知，以A相、B相導(dǎo)通情況為例，C相為非導(dǎo)通相，且處于圖中0~60°電 角度范圍內(nèi)，則若要判斷換相點(diǎn)CP cl，則只需判斷C相反電動(dòng)勢(shì)e。在0~60°電角度范圍內(nèi)的 下降沿過零點(diǎn)ZCcdSJ時(shí)出現(xiàn)，再根據(jù)定時(shí)計(jì)算向后延時(shí)30°電角度即為換相點(diǎn)CP c^時(shí)刻。
[0068] 然而，實(shí)際應(yīng)用中所測(cè)波形由于PWM開關(guān)和換相時(shí)電流續(xù)流噪聲的存在，使得在理 想反電動(dòng)勢(shì)波形的基礎(chǔ)上又出現(xiàn)很多干擾反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)判斷的噪聲存在，因此在無硬件 濾波電路的情況下對(duì)無位置傳感器無刷直流電機(jī)進(jìn)行控制產(chǎn)生了困難。下面分別對(duì)如何避 開PWM開關(guān)噪聲和換相時(shí)電流續(xù)流噪聲的干擾進(jìn)行分析說明。
[0069] 1.軟件濾除P麗開關(guān)噪聲干擾
[0070] 無刷直流電機(jī)的P麗調(diào)制方式有多種，例如：（1 )0Ν_Ρ麗開關(guān)管導(dǎo)通120°期間，前 60°恒通，后60°進(jìn)行PWM調(diào)制；（2)PWM_0N開關(guān)管導(dǎo)通120°期間，前60°進(jìn)行PWM調(diào)制，后60°恒 通；（3)H-〇N_L-PWM上橋臂開關(guān)管保持恒通，下橋臂開關(guān)管進(jìn)行ΠΜ調(diào)制；（4)H-PWM_L-〇N上 橋臂開關(guān)管進(jìn)行PWM調(diào)制，下橋臂開關(guān)管保持恒通；（5)H-PWM_L-PmO:下橋開關(guān)管均進(jìn)行 PWM調(diào)制。本發(fā)明選用最常用的調(diào)制方式之一，H_0N-L_PWM調(diào)制方式進(jìn)行舉例說明。其他PWM 調(diào)制方式也可應(yīng)用本發(fā)明進(jìn)行控制。
[0071] 當(dāng)PWM占空比不為100%時(shí)，星形連接二二導(dǎo)通三相六狀態(tài)的三相上下橋的開關(guān)管 導(dǎo)通情況示意圖可如圖3所示。
[0072] 結(jié)合圖1和圖3可知，￥1'1、￥1'3、￥1'5是上橋臂，與電源正極相連;￥了4、￥1' 6、￥1'2是下橋 臂，與電源地相連。占空比d不為100%時(shí)的情況下C相端電壓波形圖如圖4所示。圖4涵蓋導(dǎo) 通狀態(tài)有:部分B、C相導(dǎo)通-B、A相導(dǎo)通-C、A相導(dǎo)通-C、B相導(dǎo)通-A、B相導(dǎo)通-部分A、C相 導(dǎo)通?，F(xiàn)將結(jié)合等效電路說明部分A、B相導(dǎo)通區(qū)間波形形成原理。在H_0N-L_P麗調(diào)制方式 下，若A相、B相導(dǎo)通，則VT^于一直開啟的狀態(tài)，VT 6則會(huì)根據(jù)PWM調(diào)制情況周期性的開啟、關(guān) 閉。圖4中A、B相導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)，換相期間二極管續(xù)流影響產(chǎn)生的原因會(huì)在3.2節(jié)中進(jìn)行分析。 當(dāng)VT6開啟時(shí)，電流通過電源正極-VTi-A相相-VT6-電源負(fù)極-電源正極形成回路， 等效電路如圖5所示，由于對(duì)本波形的產(chǎn)生影響不大，故在此忽略VT1和VT6的內(nèi)阻，由式 (12)的第三項(xiàng)可知u。。則會(huì)根據(jù)C相反電動(dòng)勢(shì)的變化規(guī)律逐步衰減；當(dāng)VT 6關(guān)斷時(shí)，電流通過A 相-B相-VD3-VTi-A相形成P麗關(guān)斷續(xù)流回路，由于上橋臂VT^VD3的開啟，下橋臂全部 關(guān)斷，C相直接與電源正極相連，電位與電源正極接近，等效電路如圖6所示。
[0073] 圖4中，上斜邊和下斜邊的虛線部分為HVM全開時(shí)的波形，其與占空比d不為100% 時(shí)的端電壓波形重合的部分，也就是VT 6打開的時(shí)候，便是需要檢測(cè)過零點(diǎn)的部分。以上升 沿為例，采集過零點(diǎn)時(shí)是在高頻中斷中進(jìn)行，故可以認(rèn)為當(dāng)uccl = Us/2時(shí)，便出現(xiàn)了過零點(diǎn)， 開始進(jìn)行延時(shí)操作。由于虛線與占空比d不為100%時(shí)的端電壓波形重合的部分為斷續(xù)單調(diào) 遞增的，故正確的過零點(diǎn)應(yīng)該只有一個(gè)，即ZC c2，而由于PWM調(diào)制的存在，使波形在重合部分 以外的區(qū)域會(huì)有其它的上升下降沿，使得僅僅利用u。。與Us/2的關(guān)系進(jìn)行判斷過零點(diǎn)時(shí)，會(huì) 出現(xiàn)誤判，例如會(huì)誤判定ZCc^S過零點(diǎn)，從而導(dǎo)致?lián)Q相點(diǎn)不準(zhǔn)。
[0074] 因?yàn)镻WM是由芯片所生成，故在此可以利用PWM本身的寄存器屬性對(duì)波形進(jìn)行定區(qū) 間采樣判斷，以濾除非重合部分的干擾。舉例來說，本發(fā)明所采用的芯片產(chǎn)生PWM波的原理 為:基于芯片的系統(tǒng)時(shí)鐘，PWM模塊也會(huì)有一個(gè)時(shí)鐘進(jìn)行周期性的計(jì)數(shù)操作，在其中的一個(gè) 常用模式下，PWM模塊的計(jì)數(shù)器從0開始一直計(jì)數(shù)到某個(gè)所設(shè)定的閾值(稱該值為YZ)，達(dá)到 該閾值后又會(huì)進(jìn)行遞減操作，直到計(jì)數(shù)為0,周而復(fù)始。可以在0至YZ之間設(shè)定某個(gè)值(稱該 值為CMPA)，當(dāng)PWM模塊的計(jì)數(shù)器遞增經(jīng)過CMPA時(shí)，芯片會(huì)將對(duì)應(yīng)的PWM輸出引腳置位，當(dāng)PWM 模塊的計(jì)數(shù)器遞減經(jīng)過CMPA時(shí)，會(huì)將對(duì)應(yīng)的PWM輸出引腳清零，則所輸出的PWM占空比為 ((YZ-CMPA)/YZ) X 100%。于是便可以利用當(dāng)PWM模塊的計(jì)數(shù)器值大于CMPA且小于等于ΥΖ的 這部分區(qū)間對(duì)端電壓進(jìn)行采樣計(jì)算操作，這部分區(qū)間即對(duì)應(yīng)于圖4中的虛線與占空比d不為 100%時(shí)的端電壓波形重合的部分。推廣開來說，絕大部分控制芯片都具有類似的功能，即 可以一邊生成PWM波形，一邊在軟件中斷中對(duì)PWM相關(guān)寄存器的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而進(jìn)行相 應(yīng)的操作，因此此方法簡(jiǎn)便易操作的同時(shí)還具有較廣的可實(shí)施性。
[0075]綜上所述，通過芯片本身的特性是可以利用軟件對(duì)實(shí)際的端電壓中pmi開關(guān)噪聲 進(jìn)行濾除的，進(jìn)而準(zhǔn)確的判斷出過零點(diǎn)的位置，得到正確的換相時(shí)刻。濾除PWM開關(guān)噪聲是 完成準(zhǔn)確換相操作的必要條件，除此之外，還需要濾除換相時(shí)的電流續(xù)流噪聲方可滿足能 夠準(zhǔn)確換相的基本條件。
[0076] 2.軟件濾除換相時(shí)電流續(xù)流噪聲
[0077]在星形連接二二導(dǎo)通三相六狀態(tài)的無刷直流電機(jī)中，由于三相電感L的存在，換相 時(shí)由導(dǎo)通變?yōu)椴粚?dǎo)通的繞組中電流無法瞬間衰減至零，而是會(huì)通過對(duì)應(yīng)的與晶體管反并聯(lián) 的二極管進(jìn)行續(xù)流，直至衰減至0。下面仍以H_ON-L_PWM調(diào)制方式為例進(jìn)行說明。同樣，其他 PWM調(diào)制方式也可應(yīng)用本發(fā)明進(jìn)行控制。
[0078] (1)上橋臂換相
[0079] 當(dāng)A相、C相導(dǎo)通換為B相、C相導(dǎo)通，即VTi關(guān)斷VT3打開時(shí)，續(xù)流情況如圖7所示。圖7 (a)中，VlViih于開啟狀態(tài)，A相續(xù)流電流通過A相-C相-VT^VDdA相形成回路，B、C相導(dǎo)通 電流通過電源正極-VT3-B相-C相-VT2-電源負(fù)極-電源正極形成回路；圖7(b)中，VT2 處于關(guān)閉狀態(tài)，A相續(xù)流電流通過A相-C相-VD5-電源正極-電源負(fù)極-VD4-A相形成回 路，B、C相電流續(xù)流通過B相-C相-VDpVTpB相形成回路。
[0080] 如圖7所示，根據(jù)電流流向情況，可判斷出A、B、C三相的端電壓值，并列出如下方程
[0082] 式中d為ΠΜ占空比；113。、1^。、11。。為三相繞組輸出端對(duì)直流電源地的電壓，即各相的 端電壓；ia、ib、ic為定子繞組相電流;Rs為每相繞組的電阻；L為每相繞組的自感與互感之 差;e a、eb、ec為定子繞組相反電動(dòng)勢(shì);un為三相繞組中性點(diǎn)N對(duì)電源地的電壓。由于電機(jī)中繞 組為較粗的銅導(dǎo)線，電阻很小，因此可忽略其每相繞組的電阻Rs，同時(shí)由基爾霍夫定律可得 ia+ib+ic = 0,將式（13)三相聯(lián)立化簡(jiǎn)后可得
[0084]因?yàn)槔m(xù)流是在很短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行的，并且各相的反電動(dòng)勢(shì)不會(huì)發(fā)生突變，因此可 認(rèn)為各相反電動(dòng)勢(shì)在續(xù)流過程中基本不變，設(shè)ea = eb = -e。= E，則可得
[0086]將式（15)代入式（13)，忽略繞組電阻Rs的影響，可得發(fā)生續(xù)流相的電流1"關(guān)于時(shí)間 tu的函數(shù)
[0088] 式中I為換相前A相中電流的穩(wěn)態(tài)值。并且由于三相的反電動(dòng)勢(shì)在換相續(xù)流時(shí)不會(huì) 發(fā)生突變，因此可認(rèn)為E同時(shí)也是換相前各相反電動(dòng)勢(shì)的穩(wěn)態(tài)值。又由于在占空比d下穩(wěn)態(tài) 工作有如下關(guān)系
[0089] Usd = 2IRs+2E (17)
[0090] 因?yàn)镽s已被忽略不計(jì)，所以化簡(jiǎn)后可得
[0092]將式(16)和式(18)聯(lián)立，當(dāng)續(xù)流電流ia降為0時(shí)，化簡(jiǎn)可得續(xù)流時(shí)間tu的方程
[0094]由式（19)可以看出在H_0N-L_Pmi調(diào)制方式下，上橋臂換相時(shí)續(xù)流時(shí)間tu只與換相 前電流穩(wěn)態(tài)值、繞組電感、母線電壓有關(guān)，與PWM占空比無關(guān)。
[0095] (2)下橋臂換相
[0096] 假設(shè)當(dāng)C相、A相導(dǎo)通換為C相、B相導(dǎo)通，即VT4關(guān)斷VT6打開時(shí)，續(xù)流情況如圖8所示。 圖8 (a)中，VT6處于開啟狀態(tài)，A相續(xù)流電流通過A相-VDi-VTs-C相-A相形成回路，C、B相 導(dǎo)通電流通過電源正極-VTs-C相相-VT6-電源負(fù)極-電源正極形成回路；圖8(b)中， VT6處于關(guān)閉狀態(tài)，A相續(xù)流電流通過A相-VDeVT^C相-A相形成回路，C、B相電流續(xù)流通 過C相-B相-VD3-VT5-C相形成回路。
[0097] 如圖8所示，根據(jù)電流流向情況，可判斷出A、B、C三相的端電壓值，并列出如下方程
[0103] 由式(23)可以看出在H_0N-L_PWM調(diào)制方式下，下橋臂換相時(shí)續(xù)流時(shí)間td只與換相 前電流穩(wěn)態(tài)值、繞組電感、母線電壓和PWM占空比有關(guān)。
[0104] 本發(fā)明所提出的控制方法中，利用定時(shí)器產(chǎn)生一個(gè)固定周期的中斷，通過在每次 進(jìn)入定時(shí)器中斷中對(duì)一個(gè)計(jì)數(shù)變量進(jìn)行累加賦值來記錄電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)30°、60°、90°、120°所經(jīng) 過了多少個(gè)定時(shí)器中斷，從而得到相應(yīng)的換相延時(shí)時(shí)間。而通過上文所推出的換相時(shí)續(xù)流 所需的時(shí)間方程，便可以求出在換相后延時(shí)多少個(gè)定時(shí)器中斷后再對(duì)上升、下降沿進(jìn)行定 區(qū)間采樣，從而成功實(shí)現(xiàn)在沒有硬件濾波電路的情況下，對(duì)無位置傳感器無刷直流電機(jī)進(jìn) 行控制。圖9為中斷服務(wù)子程序流程圖。此方法運(yùn)算量小，節(jié)省硬件成本和空間體積，對(duì)于各 類芯片均有良好的適用性，是一種可以廣泛推廣應(yīng)用的控制方法。
[0105] 3.無硬件濾波換相策略的編程實(shí)現(xiàn)
[0106] 由于換相、反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)判斷及本發(fā)明策略的實(shí)現(xiàn)主要是在中斷程序中，所以 給出中斷程序的流程圖，如圖9所示。（1)在ADC中斷中采集電機(jī)三相電壓和電流值，再檢測(cè) 電機(jī)控制器控制芯片的PWM模塊寄存器的狀態(tài)，判斷電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器下橋PWM是否為0N狀 態(tài)。⑵若為"否"，說明此時(shí)不應(yīng)進(jìn)行反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)判斷，退出ADC中斷，重復(fù)步驟1)的操 作;若為"是"，說明此時(shí)應(yīng)進(jìn)行反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)判斷，根據(jù)公式
過零點(diǎn)判斷。（3)將控制芯片記錄的上一步換相延時(shí)時(shí)間、與新檢測(cè)到的當(dāng)前換相延時(shí)時(shí)間 作平均值，將其作為新的換相延時(shí)時(shí)間，進(jìn)行換相延時(shí)修正。（4)在進(jìn)行上述操作期間，若定 時(shí)器達(dá)到定時(shí)周期預(yù)定值，則進(jìn)入定時(shí)器中斷，進(jìn)行定時(shí)計(jì)數(shù)操作。（5)在步驟(2)判斷到達(dá) 過零點(diǎn)后，判斷定時(shí)計(jì)數(shù)值是否達(dá)到修正后的換相延時(shí)的時(shí)刻，若為"否"，則退出定時(shí)器中 斷重新等待進(jìn)入定時(shí)器中斷判斷，再次進(jìn)行定時(shí)計(jì)數(shù)操作;若為"是"，則利用ADC中斷中采 集的電機(jī)三相電流值，當(dāng)上橋臂換相時(shí)，通過上橋臂續(xù)流時(shí)間
·計(jì)算關(guān)斷相續(xù) 流持續(xù)時(shí)間tu，當(dāng)下橋臂換相時(shí)，通過下橋臂續(xù)流時(shí)間
7寸關(guān)斷相續(xù)流持續(xù)時(shí) 間td進(jìn)行計(jì)算，隨后進(jìn)行換相操作。（6)換相完成后對(duì)定時(shí)計(jì)數(shù)值是否達(dá)到剛剛所計(jì)算的相 應(yīng)換相橋臂的續(xù)流時(shí)間tu(td)進(jìn)行判斷，若為"否"，說明仍在續(xù)流期間，則退出定時(shí)器中斷， 并重新進(jìn)入定時(shí)器中斷，進(jìn)行定時(shí)計(jì)數(shù)操作，并再次進(jìn)行判斷定時(shí)計(jì)數(shù)值是否達(dá)到續(xù)流時(shí) 間t u(td);若為"是"，說明已完成續(xù)流，干擾消除，退出定時(shí)器中斷，本次換相循環(huán)結(jié)束，進(jìn)行 下一次換相循環(huán)。
[0107] 其中進(jìn)入ADC中斷的頻率遠(yuǎn)大于進(jìn)入定時(shí)器中斷的頻率，從而保證定時(shí)器所采用 的電壓電流值都是實(shí)時(shí)變化的。
[0108] ea、eb、ec為定子繞組相反電動(dòng)勢(shì);113。、1^。、11。。為三相繞組輸出端對(duì)直流電源地的電 壓，即各相的端電壓;Us表示直流電源對(duì)直流電源地電壓;L為每相繞組的自感與互感之差； I為換相前A相中電流的穩(wěn)態(tài)值;d為PWM占空比。
[0109] 有益效果
[0110] 根據(jù)本發(fā)明，設(shè)計(jì)了一套無位置傳感器無刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)。采用的芯片為 TI公司生產(chǎn)的TMS320F28335DSP芯片，電機(jī)為一臺(tái)功率為42W的極對(duì)數(shù)為2的無位置傳感器 無刷直流電機(jī)，額定轉(zhuǎn)矩為0.1N · m，額定轉(zhuǎn)速為4000r/min。
[0111] 圖10為在占空比為50%的情況下，對(duì)于不同負(fù)載采用本控制方法控制無位置傳感 器無刷直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的C相端電壓波形放大圖。其中利用一個(gè)I/O口在C相、B相導(dǎo)通切換至A 相、B相導(dǎo)通后，C相端電壓的斜邊處采樣判斷過零點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生斷續(xù)的反轉(zhuǎn)信號(hào)。由圖10(a)可 以看到，I/O 口首先在換相后避開了換相電流續(xù)流的干擾，之后所有的信號(hào)反轉(zhuǎn)處均準(zhǔn)確的 發(fā)生在B相下橋開啟，也就是PWM為ON的區(qū)間內(nèi)，最后在ZC處準(zhǔn)確采集到過零點(diǎn)的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn) 了過零點(diǎn)的準(zhǔn)確判斷。此外將(a)、（b)、（c)相比較可以看到，針對(duì)不同負(fù)載下續(xù)流時(shí)間會(huì)發(fā) 生變化，而在本發(fā)明的控制下，對(duì)于不同的續(xù)流寬度可以較好的適應(yīng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整，從而 得到良好的控制運(yùn)轉(zhuǎn)效果。
[0112] 圖11為在相同負(fù)載條件下，改變不同的PWM占空比時(shí)電機(jī)C相端電壓的波形放大比 較圖。由圖11的(a)、（b)、（c)可以清楚的看出，若對(duì)電機(jī)施加一個(gè)固定不變的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，則 在不同的占空比下均可以準(zhǔn)確的在PWM為0N的時(shí)間區(qū)域內(nèi)進(jìn)行采樣判斷。當(dāng)占空比為40% 時(shí)，電機(jī)帶負(fù)載能力較低，轉(zhuǎn)速較慢，換相周期也就較長(zhǎng)，同時(shí)斜邊處可進(jìn)行采樣的區(qū)間也 會(huì)變小，而本發(fā)明是建立在PWM本身產(chǎn)生的根源一一芯片內(nèi)部寄存器的狀態(tài)的基礎(chǔ)上的，占 空比變化并不會(huì)影響采樣區(qū)間的準(zhǔn)確性，在實(shí)驗(yàn)中也可以看出其在低占空比的情況下也可 以準(zhǔn)確采集到過零點(diǎn)從而正確的換相。在相同負(fù)載下，由于是上橋臂換相，由前文的推導(dǎo)可 知，續(xù)流時(shí)間的長(zhǎng)短與占空比d無關(guān)，恰好與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)應(yīng)。以上波形表明電機(jī)在該方法 的控制下，對(duì)于相同負(fù)載不同占空比的情況下也有著良好的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。
[0113] 通過理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)證明，在不同的負(fù)載和不同的占空比條件下，通過本發(fā)明均 能夠使電機(jī)準(zhǔn)確的換相運(yùn)轉(zhuǎn)。并且不僅局限在H_0N-L_PWM調(diào)制方法，在其他PWM調(diào)制方式下 也可應(yīng)用本發(fā)明方法進(jìn)行控制。該換相方法可以控制電機(jī)在較大的占空比范圍內(nèi)良好地工 作，整個(gè)系統(tǒng)檢測(cè)電路簡(jiǎn)單，降低了控制成本，具有較好的實(shí)用性。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種無位置傳感器無刷直流電機(jī)無硬件濾波換相方法，采用H_0N-L_p麗調(diào)制方式， 其特征在于包括如下步驟： 1) 在ADC中斷中采集電機(jī)三相電壓和電流值，再檢測(cè)電機(jī)控制器控制芯片的HVM模塊寄 存器的狀態(tài)，判斷電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器下橋PWM是否為導(dǎo)通狀態(tài)(簡(jiǎn)稱為PWM為ON狀態(tài)）； 2) 若為"否"，說明此時(shí)不應(yīng)進(jìn)行反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)判斷，退出ADC中斷，重復(fù)步驟1)的操 作;若為"是"，說明此時(shí)應(yīng)進(jìn)行反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)判斷，根據(jù)公￥進(jìn)行反電動(dòng)勢(shì) 過零點(diǎn)判斷； 3) 將控制芯片記錄的上一步換相延時(shí)時(shí)間、與新檢測(cè)到的當(dāng)前換相延時(shí)時(shí)間作平均 值，將其作為新的換相延時(shí)時(shí)間，進(jìn)行換相延時(shí)修正； 4) 在進(jìn)行上述操作期間，若定時(shí)器達(dá)到定時(shí)周期預(yù)定值，則進(jìn)入定時(shí)器中斷，進(jìn)行定時(shí) 計(jì)數(shù)操作； 5) 在步驟2)判斷到達(dá)過零點(diǎn)后，判斷定時(shí)計(jì)數(shù)值是否達(dá)到修正后的換相延時(shí)的時(shí)刻， 若為"否"，則退出定時(shí)器中斷重新等待進(jìn)入定時(shí)器中斷判斷，再次進(jìn)行定時(shí)計(jì)數(shù)操作;若為 "是"，則利用ADC中斷中采集的電機(jī)三相電流值，當(dāng)上橋臂換相時(shí)，通過上橋臂續(xù)流時(shí)間表 1/? 達(dá)式^ =$7計(jì)算關(guān)斷相續(xù)流持續(xù)時(shí)間tu，當(dāng)下橋臂換相時(shí)，通過下橋臂續(xù)流時(shí)間表達(dá)式 心對(duì)關(guān)斷相續(xù)流持續(xù)時(shí)間td進(jìn)行計(jì)算，隨后進(jìn)行換相操作； 6) 換相完成后對(duì)定時(shí)計(jì)數(shù)值是否達(dá)到剛剛所計(jì)算的相應(yīng)換相橋臂的續(xù)流時(shí)間tu(td)進(jìn) 行判斷，若為"否"，說明仍在續(xù)流期間，則退出定時(shí)器中斷，并重新進(jìn)入定時(shí)器中斷，進(jìn)行定 時(shí)計(jì)數(shù)操作，并再次進(jìn)行判斷定時(shí)計(jì)數(shù)值是否達(dá)到續(xù)流時(shí)間t u(td);若為"是"，說明已完成 續(xù)流，干擾消除，退出定時(shí)器中斷，本次換相循環(huán)結(jié)束，進(jìn)行下一次換相循環(huán)。
【文檔編號(hào)】H02P6/182GK106026804SQ201610648340
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年8月9日
【發(fā)明人】王大方, 于知杉, 張鵬, 賈隆, 宋鵬, 邱美玲, 劉棟順
【申請(qǐng)人】王大方