關(guān)于直接反電動(dòng)勢法的無刷直流電機(jī)準(zhǔn)確換相新方法
發(fā)布時(shí)間:2018-07-16 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】分析了上橋臂PWM 調(diào)制、下橋臂恒通調(diào)制方式時(shí)的端電壓波形,討論相應(yīng)的反電動(dòng)勢過零點(diǎn)檢測方法。在PWM 調(diào)制信號(hào)開通狀態(tài)結(jié)束時(shí)刻對端電壓進(jìn)行采樣,由軟件算法確定反電動(dòng)勢過零點(diǎn). 針對電機(jī)運(yùn)行時(shí)存在超前換相或滯后換相的情況,通過設(shè)置合理的延遲時(shí)間來實(shí)現(xiàn)最佳換相。
摘要
分析了上橋臂PWM 調(diào)制、下橋臂恒通調(diào)制方式時(shí)的端電壓波形,討論相應(yīng)的反電動(dòng)勢過零點(diǎn)檢測方法. 在PWM 調(diào)制信號(hào)開通狀態(tài)結(jié)束時(shí)刻對端電壓進(jìn)行采樣,由軟件算法確定反電動(dòng)勢過零點(diǎn). 針對電機(jī)運(yùn)行時(shí)存在超前換相或滯后換相的情況,通過設(shè)置合理的延遲時(shí)間來實(shí)現(xiàn)最佳換相. 針對實(shí)際電機(jī)存在反電動(dòng)勢過零點(diǎn)分布不均勻的情況,根據(jù)過零點(diǎn)間隔時(shí)間存在著周期性規(guī)律,提出一種新的延遲時(shí)間設(shè)置方法,使換相點(diǎn)位于相鄰過零點(diǎn)的中間位置,實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的準(zhǔn)確換相. 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提出方法的可行性和有效性.
無刷直流電機(jī)(BLDCM )具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行效率高和調(diào)速性能好等優(yōu)點(diǎn),在工業(yè)和商業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用. 近年來, 無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制一直是國內(nèi)外的研究熱點(diǎn),較為常見的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測方法有反電動(dòng)勢法、定子電感法、續(xù)流二極管法、磁鏈估計(jì)法和狀態(tài)觀測器法等,其中反電動(dòng)勢法最為有效實(shí)用.
速時(shí), 分別在PWM 關(guān)斷和開通階段檢測反電動(dòng)勢,采用2個(gè)不同的參考電壓獲得反電動(dòng)勢過零點(diǎn),而不需位置傳感器和電流傳感器,但增加了硬件電路的復(fù)雜性. 文獻(xiàn)通過比較懸空相繞組端電壓和逆變器直流環(huán)中點(diǎn)電壓的關(guān)系,獲得反電動(dòng)勢過零點(diǎn). 該方法無需重構(gòu)電機(jī)中性點(diǎn), 不使用濾波電路,但需采用硬件電路比較得到過零點(diǎn).
提出了在on _pwm 調(diào)制方式時(shí)的反電動(dòng)勢過零點(diǎn)檢測方法,采用內(nèi)置AD 的微控制器在PWM開通時(shí)檢測懸空相端電壓,軟件算法中使用簡單的代數(shù)運(yùn)算,獲得準(zhǔn)確的過零點(diǎn)信號(hào). 目前,關(guān)于反電動(dòng)勢法的研究多集中在反電動(dòng)勢過零點(diǎn)的檢測電路方法和由濾液電路引起的相位誤差的消除或補(bǔ)償方法,但在準(zhǔn)確換相方面的研究尚不夠深入.
直接反電動(dòng)勢法原理
無刷直流電機(jī)一般采用“兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)”運(yùn)行方式, 每個(gè)工作狀態(tài)只有兩相繞組導(dǎo)通,第三相繞組處于懸空狀態(tài),被用來檢測反電勢過零點(diǎn). 在檢測到反電動(dòng)勢過零點(diǎn)后, 根據(jù)換相點(diǎn)滯后過零點(diǎn)30°電角度, 設(shè)置對應(yīng)的延遲時(shí)間. 當(dāng)延遲時(shí)間到達(dá)后,電機(jī)換相進(jìn)入下一個(gè)工作狀態(tài).
本文采用基于端電壓的直接反電動(dòng)勢檢測電路,通過檢測懸空相繞組的端電壓信號(hào)來獲得反電動(dòng)勢過零點(diǎn). 采用分壓電阻對端電壓和直流側(cè)電壓進(jìn)行同比例分壓,使分壓后的被測信號(hào)落在采樣單元允許的輸入范圍內(nèi). 圖1 ( a)為主電路和直接反電勢法分壓電路,端電壓UA , UB , UC 和UDC經(jīng)過分壓后分別為Ua , Ub , Uc 和Udc.
理想的反電動(dòng)勢波形為正負(fù)交變的梯形波,且以電機(jī)中心點(diǎn)為參考點(diǎn),圖1 ( b)中, eA , eB , eC 分別表示三相反電動(dòng)勢. 電機(jī)在一個(gè)周期內(nèi)共有6個(gè)工作狀態(tài),每隔60°電角度工作狀態(tài)改變一次, 每個(gè)功率開關(guān)導(dǎo)通120°電角度. 工作狀態(tài)可以由導(dǎo)通的兩相繞組和2個(gè)功率開關(guān)表示,如圖1 ( b)所示,BA 表示電流從B 相繞組流入,從A 相繞組流出;Q3Q4 表示B 相上橋臂和A 相下橋臂的2個(gè)功率開關(guān)導(dǎo)通. 過零點(diǎn)檢測波形表示反電動(dòng)勢過零點(diǎn)和換相點(diǎn), 其中, Z為反電動(dòng)勢過零點(diǎn), C 為換相點(diǎn).反電勢過零點(diǎn)和換相點(diǎn)均勻分布,彼此間隔30°電角度.
反電動(dòng)勢過零點(diǎn)檢測方法
無刷直流電機(jī)控制可以采用多種PWM 調(diào)制方式. 采用的調(diào)制方式不同, 呈現(xiàn)的端電壓波形也不同. 本文采用上橋臂PWM 調(diào)制,下橋臂恒通(H _pwm 2L _on )的調(diào)制方式. 以A 相為例, 假設(shè)PWM 占空比為50% ,忽略高頻開關(guān)噪聲和換相續(xù)流產(chǎn)生的脈沖毛刺,理想的端電壓波形如圖2 ( a)所示. 在一個(gè)周期范圍內(nèi),將A 相端電壓波形劃分為BA, BC, AC, AB, CB 和CA 六個(gè)區(qū)域,每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)一個(gè)工作狀態(tài). 端電壓波形的上升部分和下降部分為BC區(qū)和CB 區(qū),此時(shí)A 相處于懸空狀態(tài).
BA 和CA 區(qū)為A 相下橋臂開關(guān)導(dǎo)通階段, Q4處于恒通狀態(tài), A 相繞組與直流側(cè)電壓的負(fù)極相連,端電壓被鉗制到直流側(cè)電壓的負(fù)極電位. 由于直流側(cè)電壓的負(fù)極為端電壓的參考點(diǎn),此時(shí)端電壓為零.
AC 和AB 區(qū)為A 相上橋臂開關(guān)PWM 調(diào)制階段. 以AC區(qū)為例,在PWM 開通期間, Q1 和Q2 導(dǎo)通, A 相繞組與直流側(cè)電壓的正極相連, 端電壓為UDC ;在PWM 關(guān)閉期間, Q1 關(guān)閉, Q2 導(dǎo)通,由于繞組阻抗呈感性, A 相下橋臂的反并聯(lián)二極管D4 導(dǎo)通續(xù)流,此時(shí)A 相繞組與直流側(cè)電壓的負(fù)極相連,端電壓為零.
BC和CB 區(qū)為A 相懸空階段,將2個(gè)區(qū)域各自分為Ⅰ和Ⅱ兩個(gè)時(shí)段,如圖2 ( b)所示. 以BC 區(qū)為例,此時(shí)電流從B 相繞組流進(jìn), C 相繞組流出,如圖3所示. 圖中, RS 和LS 分別表示定子繞組的等效電阻和電感, UN 為電機(jī)中心點(diǎn)電壓, i為相電流. 忽略功率開關(guān)和二極管的正向?qū)▔航? 根據(jù)基爾霍夫電壓定律可得
本文在PWM 調(diào)制開通狀態(tài)結(jié)束時(shí)刻對懸空相的端電壓進(jìn)行采樣. 由于硬件電路存在延時(shí)效應(yīng),采樣時(shí)功率開關(guān)尚未關(guān)斷, 相當(dāng)于在PWM 調(diào)制開通期間采樣,此時(shí)被采樣的電壓信號(hào)受開關(guān)噪聲影響較小. 根據(jù)式( 5) , 當(dāng)檢測到A 相端電壓值為直流電壓值的一半時(shí), A 相反電動(dòng)勢過零, UA 和UDC /2的比較就相當(dāng)于eA 和0的比較.
反電動(dòng)勢過零點(diǎn)檢測方法簡單準(zhǔn)確,使用軟件算法判斷反電勢過零點(diǎn). 硬件電路只要選擇阻值和功率都合適的電阻用于分壓,不需要重構(gòu)電機(jī)中心點(diǎn),也不需要低通濾波器,信號(hào)沒有相位延時(shí),也不采用比較器來檢測過零點(diǎn). 硬件電路結(jié)構(gòu)簡單, 適合低成本應(yīng)用.
延遲時(shí)間設(shè)置方法
最佳換相邏輯是指繞組在梯形波反電勢的平頂部分導(dǎo)通, 與之對應(yīng)的最佳換相位置是指在換相完成后,定子磁勢超前轉(zhuǎn)子磁勢120°電角度,如圖5所示. 其中, Fa 和Fr 分別表示定子磁勢和轉(zhuǎn)子磁勢. 在一個(gè)工作狀態(tài)內(nèi)定子磁勢平均超前轉(zhuǎn)子磁勢90°電角度,平均電磁轉(zhuǎn)矩最大.
若在換相時(shí)刻轉(zhuǎn)子已經(jīng)轉(zhuǎn)過最佳換相位置,則表現(xiàn)為滯后換相,換相點(diǎn)在時(shí)間軸上相對最佳換相位置右移,端電壓波形不對稱, 右側(cè)的部分波形被湮沒,過零點(diǎn)到換相點(diǎn)的延遲時(shí)間tZC偏大,如圖6所示. 滯后換相時(shí), 轉(zhuǎn)子超過最佳換相位置的角度應(yīng)小于30°電角度, 若換相嚴(yán)重滯后, 下次過零點(diǎn)將被湮沒而檢測不到,引起電機(jī)失步. 反之,若轉(zhuǎn)子還沒有到達(dá)最佳換相位置就換相,則為超前換相,換相點(diǎn)在時(shí)間軸上相對最佳換相位置左移,端電壓的部分左側(cè)波形被湮沒,過零點(diǎn)到換相點(diǎn)的延遲時(shí)間tZC偏小. 滯后換相和超前換相都會(huì)引起電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng),轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn). 實(shí)測的端電壓波形(通道1)如圖7所示,通道2為過零點(diǎn)檢測波形,上升沿與下降沿分別對應(yīng)過零點(diǎn)與換相點(diǎn).
根據(jù)過零點(diǎn)超前換相點(diǎn)30°電角度的原理,在檢測到過零點(diǎn)后,設(shè)置延遲時(shí)間tZC確定換相點(diǎn). 理想運(yùn)行狀態(tài)下,過零點(diǎn)與換相點(diǎn)等間隔分布,彼此相差30°電角度. 因此, 可根據(jù)過零點(diǎn)的間隔時(shí)間來設(shè)置延遲時(shí)間,傳統(tǒng)的延遲時(shí)間設(shè)置方法是將延遲時(shí)間設(shè)置為上次過零點(diǎn)到本次過零點(diǎn)時(shí)間的一半,如圖8所示. 圖中, Z ( k) , C ( k)分別表示第k次過零點(diǎn)和第k次換相點(diǎn),當(dāng)檢測到第k次過零點(diǎn)時(shí),延遲時(shí)間如下設(shè)置:
式中, TZZ ( k - 1)為第k - 1次過零點(diǎn)到第k次過零點(diǎn)的時(shí)間; tZC ( k)為第k次過零點(diǎn)到第k次換相點(diǎn)的延遲時(shí)間.
將設(shè)置好的延遲時(shí)間載入寄存器,計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí). 到達(dá)預(yù)設(shè)的延遲時(shí)間后,電機(jī)換相進(jìn)入下一個(gè)工作狀態(tài),定子磁勢步進(jìn)一次. 換相點(diǎn)位于相鄰過零點(diǎn)的中間位置,電機(jī)在最佳換相位置換相,平均電磁轉(zhuǎn)矩最大,端電壓波形呈對稱狀態(tài). 當(dāng)反電動(dòng)勢過零點(diǎn)分布均勻時(shí),傳統(tǒng)的延遲時(shí)間設(shè)置方法能較好地實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制.
新的延遲時(shí)間設(shè)置方法
反電動(dòng)勢法重在檢測反電動(dòng)勢波形上升和下降部分的2個(gè)過零點(diǎn),波形平頂部分對過零點(diǎn)檢測方法影響不大. 由于電機(jī)制造工藝等方面的影響,實(shí)際的無刷直流電機(jī)存在三相繞組并不完全對稱的情況,導(dǎo)致三相反電動(dòng)勢之間存在差異, 相鄰過零點(diǎn)的間隔時(shí)間不完全相等, 過零點(diǎn)分布并不均勻.、
假設(shè)A 相反電動(dòng)勢存在相位偏移, 波形上升和下降部分上的過零點(diǎn)滯后出現(xiàn),導(dǎo)致過零點(diǎn)在時(shí)間軸上分布不均勻. 如圖9所示, 虛線表示理想反電動(dòng)勢,實(shí)線表示存在相位偏移的實(shí)際反電動(dòng)勢,過零點(diǎn)的間隔時(shí)間TZZ (1) , TZZ ( 2)和TZZ ( 3)不相等. 每相反電動(dòng)勢波形上升和下降部分的2個(gè)過零點(diǎn)相差180°電角度, 過零點(diǎn)間隔時(shí)間存在著周期性規(guī)律,如TZZ ( 1) =TZZ ( 4) , TZZ ( 2) = TZZ ( 5)和TZZ (3) = TZZ (6) .
采用傳統(tǒng)的延遲時(shí)間設(shè)置方法,某些換相點(diǎn)偏離理想換相點(diǎn)較大. 當(dāng)某次換相嚴(yán)重滯后時(shí),下次過零點(diǎn)容易被湮沒,導(dǎo)致電機(jī)失步,如圖10所示.
為使換相點(diǎn)位于相鄰2個(gè)過零點(diǎn)的中間位置,本文提出一種新的延遲時(shí)間設(shè)置方法. 如圖11所示,過零點(diǎn)的間隔時(shí)間TZZ ( k - 3)和TZZ ( k)相等,當(dāng)檢測到第k次過零點(diǎn)時(shí),從第k次過零點(diǎn)到第k次換相點(diǎn)的延遲時(shí)間tZC ( k)如下設(shè)置:
式中, TZZ ( k - 3)為第k - 3次過零點(diǎn)到第k - 2次過零點(diǎn)的時(shí)間.
當(dāng)三相反電動(dòng)勢波形的間隔時(shí)間長度不是理圖11 新的延遲時(shí)間設(shè)置方法想的120°電角度,過零點(diǎn)間隔時(shí)間不相等時(shí),采用新的延遲時(shí)間設(shè)置方法可以使換相更為準(zhǔn)確,換相點(diǎn)落在前后2個(gè)過零點(diǎn)的中間位置,過零點(diǎn)不容易被湮沒,電機(jī)運(yùn)行不易失步,如圖10所示. 特別是在電機(jī)高速運(yùn)行時(shí),新方法提高了電機(jī)運(yùn)行的可靠性,實(shí)驗(yàn)很好地驗(yàn)證了新方法的可行性和有效性.
2種延遲時(shí)間設(shè)置方法對應(yīng)的實(shí)測端電壓波形(通道1)如圖12所示,通道2和通道3為過零點(diǎn)檢測波形,通道2的上升沿和下降沿對應(yīng)于過零點(diǎn),而通道3的上升沿和下降沿分別對應(yīng)過零點(diǎn)和換相點(diǎn).
圖13為實(shí)測的三相端電壓波形(通道1~通道3) ,通道4的上升沿和下降沿分別對應(yīng)過零點(diǎn)和換相點(diǎn).
結(jié)論
1) 反電動(dòng)勢法通過檢測端電壓獲得反電動(dòng)勢過零點(diǎn),設(shè)置延遲時(shí)間得到換相點(diǎn). 本文采用軟件算法獲得過零點(diǎn)和換相點(diǎn), 簡化了硬件電路, 適用于低成本應(yīng)用.
2) 超前換相或滯后換相都會(huì)導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行不平穩(wěn),端電壓兩側(cè)波形不對稱, 通過設(shè)置合理的延遲時(shí)間,可使電機(jī)在最佳換相位置換相.
3) 當(dāng)反電動(dòng)勢過零點(diǎn)分布均勻時(shí), 可采用傳統(tǒng)的延遲時(shí)間設(shè)置方法,即將延遲時(shí)間設(shè)置為上次過零點(diǎn)到本次過零點(diǎn)時(shí)間的一半.
4) 當(dāng)實(shí)際電機(jī)的反電動(dòng)勢過零點(diǎn)分布不均勻,可使第k次過零點(diǎn)到第k次換相點(diǎn)的延遲時(shí)間等于第k - 3次過零點(diǎn)到第k - 2次過零點(diǎn)時(shí)間的一半,這一新的延遲時(shí)間設(shè)置方法,使換相點(diǎn)位于相鄰2個(gè)過零點(diǎn)的中間位置,實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的準(zhǔn)確換相. 實(shí)驗(yàn)很好地驗(yàn)證了該新方法的可行性和有效性.
特別推薦
- 授權(quán)代理商貿(mào)澤電子供應(yīng)Same Sky多樣化電子元器件
- 使用合適的窗口電壓監(jiān)控器優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)
- ADI電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制解決方案 驅(qū)動(dòng)智能運(yùn)動(dòng)新時(shí)代
- 倍福推出采用 TwinSAFE SC 技術(shù)的 EtherCAT 端子模塊 EL3453-0090
- TDK推出新的X系列環(huán)保型SMD壓敏電阻
- Vishay 推出新款采用0102、0204和 0207封裝的精密薄膜MELF電阻
- Microchip推出新款交鑰匙電容式觸摸控制器產(chǎn)品 MTCH2120
技術(shù)文章更多>>
- 中微公司成功從美國國防部中國軍事企業(yè)清單中移除
- 華邦電子白皮書:滿足歐盟無線電設(shè)備指令(RED)信息安全標(biāo)準(zhǔn)
- 功率器件熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)(九)——功率半導(dǎo)體模塊的熱擴(kuò)散
- 準(zhǔn) Z 源逆變器的設(shè)計(jì)
- 第12講:三菱電機(jī)高壓SiC芯片技術(shù)
技術(shù)白皮書下載更多>>
- 車規(guī)與基于V2X的車輛協(xié)同主動(dòng)避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車模塊拋負(fù)載的解決方案
- 車用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門搜索
單向可控硅
刀開關(guān)
等離子顯示屏
低頻電感
低通濾波器
低音炮電路
滌綸電容
點(diǎn)膠設(shè)備
電池
電池管理系統(tǒng)
電磁蜂鳴器
電磁兼容
電磁爐危害
電動(dòng)車
電動(dòng)工具
電動(dòng)汽車
電感
電工電路
電機(jī)控制
電解電容
電纜連接器
電力電子
電力繼電器
電力線通信
電流保險(xiǎn)絲
電流表
電流傳感器
電流互感器
電路保護(hù)
電路圖