PWM - ON - PWM调制方式控制的无刷直流电机换相信号检测

1、 P WM2ON2P WM调制方式控制的无刷直流电机换相信号检测收稿日期:2009204215薛晓明,楼桦(常州信息技术学院,常州213164摘要:为了实现P WM2ON2P WM调制方式控制的无位置传感器无刷直流电机转子位置信号的检测,在分析了该种调制方式控制的功率逆变器为桥式结构无刷直流电机端电压的基础上,提出一种通过检测线电压差的过零点,移相30°电角度获得换相信号的方法,并以此得到了相应的检测电路。通过应用该检测电路搭建无刷直流电机控制系统的仿真和实验结果表明:提出的方法在宽速度范围内,特别是低速时都能准确地检测到转子的位置,从而验证了该方法的有效性。关键词:无刷直流电机;换

2、相信号;P WM2ON2P WM调制;反电势过零点;检测中图分类号:T M36+1文献标志码:A文章编号:100126848(20100720088204The D etecti on of Comm ut a ti on S i gna ls of P WM2O N2P WMM odul a ti on Con trol for Brushless DC M otorsXUE Xiao2m ing,Lou Hua(Changzhou College of Infor m ation Technology,Changzhou213164,ChinaAbstract:I n order t o

3、achieve the r ot or positi on signals f or detecti on the senorless brushless DC mot or of the P WM2ON2P WM modulati on contr ol,on the basis of analysis of ter m inal voltages for brushless DC mot or with the bridge inverter on the types of modulati on contr ol,obtained a method commutati on signal

4、s by detecting the line voltage difference zer o cr ossings,then30°phase2shifting was p r oposed and got t o the corres ponding detecti on circuit.Si m ulati on and ex peri m ental results thr ough the app licati on of the detecti on circuit struc2 tures brushless DC mot or contr ol syste m sho

5、w that the p r oposed method in a wide range of s peeds,particu2 larly when l ow2s peed can accurately detect the r ot or positi on,t o verify the effectiveness of the method.Key W ords:B rushless DC mot or;Commutati on signals;P WM2ON2P WM modulati on;Back2E MF zer o cr ossings;Detecti on0引言到目前为止,对

6、于功率逆变器为桥式结构的无刷直流电机而言,无刷直流电机实现调速的P WM调制方式主要有半桥调制、全桥调制和P WM2ON2P WM 调制三种123。半桥调制控制简单,但存在断开相导通产生负向转矩的现象。全桥调制尽管断开相不会产生续流现象,但开关管的开关次数远远高于半桥调制开关管的开关次数,损耗较大。P WM2ON2P WM 调制又称为30°调制,是近年来提出的无刷直流电机的最优P WM调制方式,它能同时解决半桥调制断开相导通的问题与全桥调制开关损耗大的问题425。无论采用何种调制方式,无刷直流电机的运行都必须依靠正确的换相信号控制绕组的电流与反电势保持同步。传统获取换相信号的方法是采

7、用位置传感器直接测量,但位置传感器增大了电机体积及生产工艺难度,不能适应高温、高湿、污浊空气等恶劣的工作环境。因此,无刷直流电机的无位置传感器控制成了研究的热点,目前研究最广泛的是通过检测绕组反电势过零点,延迟30°电角度得到换相信号,但由于绕组反电势无法直接检测,国内外许多学者提出了许多通过端电压直接或间接检测反电势过零点的方法6210。本文在分析P WM2ON2P WM 调制方式一个换相区间端电压的基础上,提出一种通过检测线电压差的过零点来检测P WM2ON2P WM 调制方式控制的无刷直流电机换相信号的方法,仿真波形和实验结果表明:该方法可以在很宽的速度范围内特别是较低速度下能

8、准确检测到反电势过零点。881线电压差过零点检测原理具有理想梯形波反电势、方波电枢电流、三相绕组星形连接的无刷直流电机等效主电路如图1所示,图中S1、S3、S5为半桥逆变器的上管,S2、S4、S6为半桥逆变器的下管。 图1无刷直流电机等效主电路三相绕组反电势、电枢电流和逆变器六个开关管P WM 2ON 2P WM 调制方式的驱动信号波形如图2所示。从图2中可以看出,每个60°换相区间,前30°和后30°P WM 、下管恒通或上管恒通、下管P WM 两种状态。下面以060°换相区间进行分析,在此区间内,A 相和B 相绕组通电,C 相绕组断开。为了分析的方便

9、,假设:每一个开关管的导通压降相等,记为V T ;每一个续流二极管的正向压降相等,记为V d。 图2绕组反电势、电枢电流、开关管驱动信号波形(10°30°,上管P WM 、下管恒通当S1导通、S4导通时,等效电路如图3(a 所示,有V a =V dc -V T(1V b =V T (2V c =e c +V dc2(3由此可得V ab =V dc -2V T (4V bc =-e c -V dc2+V T(5V ca =e c -V dc2+V T(6由式(4式(6得V caab =e c -3V dc2+3V T (7V abbc =e c +3V dc2-3V T (8

10、V bcca =-2e c(9当S1关断、S4导通时,等效电路如图3(b 所示,有V a =-V d (10V b =V T(11V c =e c +V T -V d2(12由(10、(11、(12得V ab =-V d -V T (13V bc =-e c +V T +V d2(14V ca =e c +V T +V d2(15由(13、(14、(15得V caab =e c +3(V d +V T 2(16V abbc =e c -3(V d +V T 2(17V bcca =-2e c(18(230°60°,上管恒通、下管P WM当S1导通、S4关断时,等效电路如图3

11、(c 所示,有V a =V dc -V T (19V b =V dc +V d(20V c =e c +V dc +V d -V T2(21由(19、(20、(21得V ab =-V d -V T (22V bc =-e c +V T +V d2(23V ca =e c +V T +V d2(24由(22、(23、(24得V caab =e c +3(V d +V T 2(25V abbc =e c -3(V d +V T 2(26V bcca =-2e c(27从以上分析可以发现,在060°换相区间内,无论上管和下管处于P WM 调制或恒通状态,线电压差V bcca 始终等于C 相

12、反电势e c 的2倍,此时A98 相和B 相导通、C 相断开,而且表达式中不含开关管导通压降、续流二极管压降和P WM 开关调制波。由此类推,当B 相和C 相导通、A 相断开阶段,线电压差V caab 始终等于A 相反电势e a 的2倍;当A 相和C 相导通、B 相断开阶段,线电压差V abbc 始终等于B 相反电势e b 的2倍。图4给出了利用M atlab710仿真的线电压差和反电势波形,从图中可以看出,在该相导通阶段,相应线电压差包含大量的P WM 调制波,而在该相断开阶段,相应的线电压差则是与该相反电势斜率相反的平滑直线,且反电势e a 、e b 、e c 的过零点分别和线电压差V c

13、aab 、V abbc 、V bcca 的过零点完全吻合。因此,通过检测线电压差的过零点,延时30°电角度就可以得到该相绕组的换相信号,而且由于线电压差是一个放大的反电势,从而可以在更低的速度下检测到反电势过零点。根据以上原理设计的线电压差过零点检测电路如图5所示,其工作过程为:三相端电压V a 、V b 、V c 经过电阻分压后送到两级运放进行运算,得到三路线电压差V caab 、V abbc 、V bcca ,从图5可以发现由于线电压差只有在该相不导通之间波形是平滑的,而在导通之间含有许多P WM 调制波,因此比较器只能在该相不导通期间工作,否则会产生许多假的过零点,本文使用模拟

14、开关C D4051对三相检测电路进行选择,即每60°内只将断开相绕组过零点检测电路的输出送到后级触发器74LS74中,CD4051的相选择信号PS 由控制芯片DSP 的I/O 口提供,此外相选择信号还作为D 触发器的时钟信号,从而达到通过D 触发器对过零点检测信号进行锁存的目的。D 触发器输出过零点信号Z O 送到DSP 经过30°电角度软件延迟后,即得到该相绕组的换相信号,换相信号经过与P WM 逻辑组合后即得到控制逆变器六个开关管的驱动信号。 图5线电压差过零点检测原理电路图2实验结果为了验证本文提出的换相信号检测方法的正确性,根据图5的检测电路构建的无刷直流电机试验系

15、统原理框图如图6所示。 图6无刷直流电机控制系统原理框图图中,控制芯片采用T MS320F2407DSP,电机参数为:功率500W 、2对极、额定转速1500r/m in,逆变器的P WM 2ON 2P WM 调制频率为5kHz 。不同转速下测量的线电压差V caab 、线电压差过零点Z o 、相电流i a 和逆变器开关管驱动信号S1的实验波形如图7所示。从图7中可以看出,在5%的额定转速到额定转速的范围内Z o 的跳变时刻都正好对应着线电压差的过零点,延迟30°电角度得到的开关管驱动信号跳变09时刻与无刷直流电机换相时刻完全吻合,绕组电流的平顶阶段与线电压差含P WM 调制波的区间

16、相一致。因此,通过使用本文提出的换相信号检测方法可以准确地检测到P WM 2ON 2P WM 调制方式无刷直流电机的绕组换相信号,从而构成P WM 2ON 2P WM 调制方式的无位置传感器控制系统 。图7不同转速下的测量波形3结论本文提出了一种通过检测线电压差的过零点来检测P WM 2ON 2P WM 调制方式控制的无刷直流电机换相信号的方法,理论分析、仿真波形、实验结果表明,提出的方法:(1、无需重构电机中性点,简化了换相信号检测电路;(2、不受P WM 调制的影响,无需对检测信号进行滤波,消除了滤波电路在所有转速带来的相移,拓宽了高速应用的范围;(3、不受开关管和续流二极管导通压降的影响

17、,能在最低至5%额定转速下准确地检测到换相信号。参考文献1张相军,陈伯时.无刷直流电机控制系统中P WM 调制方式对换相转矩脉动的影响J .电机与控制学报,2003,7(2:87291.2张磊,瞿文龙,陆海峰,等.一种新颖的无刷直流电机无位置传感器控制系统J .电工技术学报,2006,21(10:26230.3Na m Kiy ong,LEE Wootaik,LEE Choon man,et al .Reducing t orqueri pple of brushless DC mot or by varying input v oltageJ .I EEE Trans 2acti ons o

18、n Magnetics,2006,42(4:130721310.4韦鲲,胡长生,张仲超.一种新的消除无刷直流电机非导通相续流的P WM 调制方式J .中国电机工程学报,2005,25(7:1042108.5孙立军,孙雷,张春喜,等.无刷直流电机P WM 调制方式研究J .哈尔滨理工大学学报,2006,11(2:1202123.6Iizuka K,U zuhasi H.Kano M ,et al .M icr ocomputer contr ol forsens orless brushless mot orJ .I EEE Transaciti on on I ndustry Ap 2p licati on,1985,21(4:5952601.7薛晓明,钱驰波.基于线电压的无刷直流电动机无位置传感器换相方法J .微特电机,2008,36(7:20222.8SHAO J ianwen,Nolan D,Hop ins T .A novel direct back E MF de 2tecti on f or sens orless brushless DC mot or drivesC .US A:I EEEPress,APEC 02,2002:33238.9张磊,肖伟,瞿文龙.直接检测无刷直流电机转子位置信号的方法J .清华大学学报,2006,46(4:4532