双绕组无刷直流电机倍频斩波控制电路及反电势过零点检测方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电机技术领域，涉及一种双绕组无刷直流电机倍频斩波控制电路及反电势过零点检测方法。
【背景技术】
[0002]无位置传感器无刷直流电机能满足各种工作场合的需要。相比传统的有霍尔传感器的控制器而言，该项技术有以下几个方面的优点:无位置传感器控制技术不仅可以省去昂贵的位置传感器费用，减小电机尺寸，节省空间，还可以降低整个系统复杂性，避免传感器故障引起的换相错误，并使装配和维护更加方便。
[0003]近年来，国内外均出现了很多的位置信号检测方法，转子位置采样按照对相关电信号不同的处理方法可分为端电压法(反电势过零点检测法)、三次谐波法、磁链观测法、以及一些智能方法。其中三次谐波法和磁链观测法，由于采用了对电压积分的方法避免了续流二极管对转子位置估测的影响，适合永磁无刷直流电机的无位置传感器技术，但是对电压积分需要高频率的AD采样，同时加大了运算量，不适合高速无刷电机控制。反电势过零点的方法是将不导通相的端电压与所计算的虚拟中点电压进行比较，也可以获得反电动势的过零点。这种方法十分简单，实现也比较方便。
[0004]但是在高速时必须以极高的采样频率对永磁无刷直流电机中多个物理量进行测量，然后运行复杂的算法估计出转子位置，这样即使采用主频较高的控制器，也很难实时得到精确的位置信号。并且，随着电机转速的提高，位置估计算法难以及时地计算出当前电机转子的位置情况，对于转速范围较大的情况，无位置传感器的检测难以实现。
【发明内容】
[0005]要解决的技术问题
[0006]为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种双绕组无刷直流电机倍频斩波控制电路及反电势过零点检测方法，利用倍频斩波技术的思想，通过斩波方式存在相位差，可以根据该相位差分时采样非导通相端电压，实现过零点的倍频采样，提高反电势过零点采样精度，以及转速采样精度。特别适用于无位置起动的高速无刷直流电机。该技术在降低AD采样速率的同时增加了采样点数，提高了高速电机位置估算的精准度。
[0007]技术方案
[0008]—种双绕组高速无刷直流电机倍频斩波控制电路，其特征在于包括Q1、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6组成的第一逆变电路，Q7、Q8、Q9、Q10、Qll和Q12组成的第二逆变电路，Cl母线电容、C2母线电容、Q14切换开关、Q15切换开关、Rl充电回路电阻、R2充电回路电阻、Q16开关管、Q17开关管、Dl反向并联二极管、D2反向并联二极管和回路间串联二极管Q13 ;第一逆变电路与第一 Y型连接的绕组相连接，第二逆变电路与第二 Y型连接的绕组相连接，第一逆变电路与第二逆变电路之间串接二极管Q13 ;第一逆变电路经过Q15与地相连，第二逆变电路经过Q14与Vcc相连；Q14两端并联有Rl、Q16以及反向并联二极管Dl所组成的充电回路，Q15两端并联有R2、Q17以及反向并联二极管D2所组成的充电回路；第一逆变电路的母线并联母线电容Cl，第二逆变电路的母线并联母线电容C2。
[0009]所述第一逆变电路的逆变电路Ql、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6，第二逆变电路的Q7、Q8、Q9、Q10、Qll和Q12，以及切换开关Q14和切换开关Q15采用IGBT或者MOSFET管。
[0010]一种采用所述双绕组高速无刷直流电机倍频斩波控制电路进行反电势过零点检测方法，其特征在于步骤如下:
[0011]步骤1:两套绕组上第一逆变电路与第二逆变电路上施加的PffM信号，两个PffM信号具有相位一个差；
[0012]步骤2:对两套绕组进行反电势过零点检测，采样得到两倍的反电势电压数据；
[0013]步骤3:将采集到的反电势数据中，上管换相的数据减去1/2VCC，下管换相的数据加上1/2VCC，将处理完的数据进行线性拟合，得到反电势过零点。
[0014]有益效果
[0015]本发明提出的一种双绕组无刷直流电机倍频斩波控制电路及反电势过零点检测方法，利用倍频斩波技术的思想，结合新型电机拓扑结构，通过斩波方式存在相位差，可以根据该相位差分时采样非导通相端电压以及续流方式，实现过零点的倍频采样，提高反电势过零点采样精度，以及转速采样精度。特别适用于无位置起动的高速无刷直流电机。与现有技术相比，本发明有以下几点:利用电机拓扑结构与倍频斩波技术的思想，通过斩波方式存在相位差，可以根据该相位差分时采样非导通相端电压，实现过零点的倍频采样，提高反电势过零点采样精度，以及转速采样精度。
【附图说明】
[0016]图1是发电时过零点检测方法原理图
[0017]图2是本发明所述非导通相反电势采样总体示意图
[0018]图3是本发明所述非导通相反电势反电势采样局部示意图
[0019]图4是控制电路拓扑图
[0020]图5是四种依次相差了四分之一个斩波周期的PffM信号
【具体实施方式】
[0021]现结合实施例、附图对本发明作进一步描述:
[0022]本发明利用倍频斩波技术的思想，结合新型电机拓扑结构，通过斩波方式存在相位差，可以根据该相位差分时采样非导通相端电压，实现过零点的倍频采样，提高反电势过零点采样精度，以及转速采样精度。特别适用于无位置起动的高速无刷直流电机。
[0023]如图2所示，提供了一种与高速无刷直流电机倍频斩波方式相结合的电压过零点检测方法。本发明包括:两套逆变电路分别连接两套电机绕组、两个母线电容(Cl、C2)，两个切换开关(Q14、Q15)，两个充电回路电阻(R1、R2)与开关管(Q16、Q17)反向并联二极管D1、D2，以及两套回路间串联二极管Q13。
[0024]连接关系:第一逆变电路与第一 Y型连接的绕组相连接，第二逆变电路与第二 Y型连接的绕组相连接，第一逆变电路与第二逆变电路之间串接二极管Q13;第一逆变电路经过Q15与地相连，第二逆变电路经过Q14与Vcc相连；Q14两端并联有Rl、Q16以及反向并联二极管Dl所组成的充电回路，Q15两端并联有R2、Q17以及反向并联二极管D2所组成的充电回路；第一逆变电路的母线并联母线电容Cl，第二逆变电路的母线并联母线电容C2。
[0025]所述第一逆变电路的逆变电路Ql、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6，第二逆变电路的Q7、Q8、Q9、Q10、Qll和Q12，以及切换开关Q14和切换开关Q15采用IGBT或者MOSFET管。
[0026]采用双绕组高速无刷直流电机倍频斩波控制电路进行反电势过零点检测步骤如下:
[0027]步骤1:两套绕组上第一逆变电路与第二逆变电路上施加的PffM信号，两个PffM信号具有相位一个差；本实施例中两套控制电路的PWM信号相差四分之一个斩波周期。
[0028]步骤2:对两套绕组进行反电势过零点检测，采样得到两倍的反电势电压数据；
[0029]步骤3:将采集到的反电势数据中，上管换相的数据减去1/2VCC，下管换相的数据加上1/2VCC，将处理完的数据进行线性拟合，得到反电势过零点。
[0030]具体过程:考虑到电机高转速以及功率器件开关频率有限之间的矛盾，采用PWM-ON、PffM-OFF-LOff和PffM-OFF-HIGH相结合的倍频离散采样方法，经过曲线拟合找到转子过零点，以实现转子位置的采样。
[0031]PffM-ON 阶段
[0032]在功率管开通的每个周期，采样一次非导通相(以A相为例)的端电压的幅值，并与1/2母线电压比较，当比较触发时，对两个相邻的点进行曲线拟合，结合其固定的采样周期，得到非导通反电势的过零点，如图3中所示点I?14，其中Al套绕组1，3，5等奇数与A2套绕组2，4，6等点有相位差。
[0033]PffM-OFF-LOff 和 PffM-OFF-HIGH 阶段
[0034]本发明采用的斩波方式具有斩波续流回路在高压侧和低压侧交替续流的特点。在反电势换相点之前，以PffM-OFF-LOW为例，低压侧续流时采集到的电压随着反电势变化，高压侧续流时采集到的电压为母线电压，如图3中所示点23?30 (其中Al套绕组23?26等点与A2套绕组26?30等点有相位差)。反之，在反电势换相点之后，高压侧续流时采集到的电压随着反电势变化，低压侧续流时候采集到的电压为地电压，如图3中所示点15?22 (其中Al套绕组15?18与A2套绕组19?22等点有相位差)。
[0035]由于开关状态可控，将PWM_0FF阶段采集到的电压进行综合，分别剔除二分之一母线电压，通过曲线拟合，就可以得到换相点。由于两套绕组的斩波存在相位差，可以根据该相位差分时采样非导通相端电压，可以得到2倍的位置信息，实现过零点的倍频采样，提高反电势过零点采样精度，以及转速采样精度。
【主权项】
1.一种双绕组高速无刷直流电机倍频斩波控制电路，其特征在于包括Ql、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6组成的第一逆变电路，Q7、Q8、Q9、Q10、Qll和Q12组成的第二逆变电路，Cl母线电容、C2母线电容、Q14切换开关、Q15切换开关、Rl充电回路电阻、R2充电回路电阻、Q16开关管、Q17开关管、Dl反向并联二极管、D2反向并联二极管和回路间串联二极管Q13 ;第一逆变电路与第一 Y型连接的绕组相连接，第二逆变电路与第二 Y型连接的绕组相连接，第一逆变电路与第二逆变电路之间串接二极管Q13 ;第一逆变电路经过Q15与地相连，第二逆变电路经过Q14与Vcc相连；Q14两端并联有Rl、Q16以及反向并联二极管Dl所组成的充电回路，Q15两端并联有R2、Q17以及反向并联二极管D2所组成的充电回路；第一逆变电路的母线并联母线电容Cl，第二逆变电路的母线并联母线电容C2。2.根据权利要求1所述双绕组高速无刷直流电机倍频斩波控制电路，其特征在于:所述第一逆变电路的逆变电路QU Q2、Q3、Q4、Q5和Q6，第二逆变电路的Q7、Q8、Q9、Q10、Qll和Q12，以及切换开关Q14和切换开关Q15采用IGBT或者MOSFET管。3.一种采用权利要求1或2所述双绕组高速无刷直流电机倍频斩波控制电路进行反电势过零点检测方法，其特征在于步骤如下: 步骤1:两套绕组上第一逆变电路与第二逆变电路上施加的PWM信号，两个PWM信号具有相位一个差； 步骤2:对两套绕组进行反电势过零点检测，采样得到两倍的反电势电压数据； 步骤3:将采集到的反电势数据中，上管换相的数据减去1/2VCC，下管换相的数据加上1/2VCC，将处理完的数据进行线性拟合，得到反电势过零点。
【专利摘要】本发明涉及一种双绕组无刷直流电机倍频斩波控制电路及反电势过零点检测方法，利用倍频斩波技术的思想，结合新型电机拓扑结构，通过斩波方式存在相位差，可以根据该相位差分时采样非导通相端电压以及续流方式，实现过零点的倍频采样，提高反电势过零点采样精度，以及转速采样精度。特别适用于无位置起动的高速无刷直流电机。与现有技术相比，本发明有以下几点：利用电机拓扑结构与倍频斩波技术的思想，通过斩波方式存在相位差，可以根据该相位差分时采样非导通相端电压，实现过零点的倍频采样，提高反电势过零点采样精度，以及转速采样精度。
【IPC分类】H02P6/18, H02P6/10
【公开号】CN105071716
【申请号】CN201510351256
【发明人】庞基, 刘卫国, 谭博, 骆光照
【申请人】西北工业大学
【公开日】2015年11月18日
【申请日】2015年6月23日