专利名称：基于12拍控制的无刷直流电机无位置传感器控制装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种无刷直流电机无位置传感器控制装置及方法，特别是一种成本低廉的、 能够有效抑制电磁转矩脉动的基于12拍控制的无刷直流电机无位置传感器控制装置及方法。
背景技术：
目前，控制无刷直流电动机采用的常规方法是120°导通型三相六状态方波驱动法。这种方
法通常采用3个霍尔元件作位置传感器，在360°电角度内进行6个换相步，算法简单，驱动
控制电路也较简单，因此成本低廉，适合众多大量应用的场合。但这种方法存在的突出缺点 是绕组电流含有丰富的谐波，使电磁转矩脉动大，导致电动机运行的平稳性变差，振动和噪 声增大，无法适应一些对精度和稳定性要求稍高的应用场合。采用正弦波电流驱动法是解决
转矩脉动问题的一种有效方法。但是传统的正弦波电流驱动法，如三相电流跟踪法、~， ~型 矢量控制法等，除控制算法复杂，还需要价格昂贵的光电编码器等位置传感器来获取连续的 转子位置信号，从而增加了系统的体积和成本，而对于家电等消费类产品，成本是一个很重
要的制约因素。因此，传统无刷直流电动机控制方法存在的缺陷是实现方便、成本低廉的1200
导通型方波驱动法无法应用于高性能场合，而适用于高性能场合的正弦波电流驱动法却又成 本太高，从而寻找一种既能有效抑制电磁转矩脉动，又能降低成本的无刷直流电动机控制方 案，就具有十分重要的理论和现实意义。近几年来，出现了一种新型的无刷直流电动机12拍
控制法，即采用两管与三管交替导通、三相12状态的150°导通方式，使无刷直流电机的相电
流波形接近正弦波来减小电磁转矩脉动。这种12拍控制法除能有效减小转矩脉动外，控制算 法也很简单，但通常需要霍尔位置传感器来获取12个转子位置信号，从而增加了系统的体积 和成本。若能够采用无位置传感器控制方式来实现这种12拍控制，就能达到既减小转矩脉动，
又降低成本的目的。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提出一种基于12拍控制的无刷直流电机无
位置传感器控制装置及方法，从而有效抑制电磁转矩脉动，并降低系统成本。为达到上述目
的，本发明的构思如下图1给出12拍控制法的控制示意图，其中，e。， A，、为三相反 电动势，'"，'*， ^为三相电流，在一个360°电角度周期(-15°~345°)内共有12个换相步，依7火为c+￡—、 C+」+丑-、爿+B一、 ^+B_C_、 ^+C_、、 ￡+C_ 、 5+乂—C—、 J5+j_ 、 fi+C+^_ 、
C+f 、 CJ-S- (" + "号表示一相上管导通，"—"号表示一相下管导通)。可见，其中的6个
奇数换相步为两管导通方式，而6个偶数换相步为三管导通方式。由于在6个两管导通区间 内，每区间均对应一相反电势过零点，因此，可以通过检测此状态下非导通相反电势过零点 来获取转子位置信息进行换相，从而实现无刷直流电机的无位置传感器控制以省却传感器的 费用，并采用性价比良好的微控制器用软件方法判断反电势过零点，即在PWM开通时刻检测 非导通相绕组的端电压，将其与直流侧电压的一半进行比较，二者值相等的时刻为获得反电 势过零点的时刻，无需像传统方法通过对端电压信号进行滤波来消除高频开关噪声以取得反 电势过零点，从而省却滤波器电路和模拟比较器，最大地简化系统的外围电路，达到降低系 统成本的目的。
根据上述的发明构思，本发明采用下述技术方案
本发明的基于12拍控制的无刷直流电机无位置传感器控制装置，包括直流电源、三相逆 变器、无刷直流电机、三相逆变器功率器件驱动电路、微控制器和转子位置检测电路，其特 征在于直流电源经三相逆变器和无刷直流电机连接；转子位置检测电路连接无刷直流电机 进行检测后输出的信号直接连接至微控制器的模数转换输入引脚；微控制器的六路输出经三 相逆变器功率器件驱动电路连接至三相逆变器。上述三相逆变器功率器件驱动电路采用 IR2130，其HIN1、 LIN1、 HIN2、 LIN2、 HIN3和LIN3引脚连接微控制器，而HOl、 VS1、 LOl、 H02、 VS2、 L02、 H03、 VS3和L03引脚连接到三相逆变器。上述微控制器采用英飞凌公司的 专用电机控制芯片XC866，其ANO、 AN1和AN2引脚连接转子位置检测电路，CC60、 C0UT60、 CC61、 C0UT61、 CC62和C0UT62引脚连接三相逆变器功率器件驱动电路。上述转子位置检测 电路由一个分压电阻网络组成。
采用上述基于12拍控制的无刷直流电机无位置传感器控制装置进行控制的方法是首先
进行偶数步换相；然后延时3()°电角度进行奇数步换相；接着启动XC866单片机内嵌的模数转 换单元，在PWM开通时刻检测非导通相绕组的端电压，将其与直流侧电压的一半进行比较， 二者值相等的时刻为获得反电势过零点的时刻，此时记录下从偶数步换相到反电势过零点所
经历的45°电角度对应的时间『，以r和当前偶数步换相周期^为依据，将下一个偶数步换相
周期^i更新为(；"^)，以响应速度的变化。重复以上过程，得以实现基于12拍控制的无 刷直流电机的无位置传感器控制。将上述过程用图2示出。由于两管导通时产生的电磁转矩是三管导通时产生的电磁转矩的^"倍，因此，为获得
平稳的电磁转矩并实现调速，本发明采用下述PWM斩波方式两管导通时， 一管采用PWM斩 波，另一管采用恒通控制方式；三管导通吋， 一管采用PWM斩波，其占空比的值为两管导通
时占空比值的^/2倍，另两管釆用恒通控制方式。
本发明与现有技术相比较，具有如下优点(1)本发明采用的12拍控制法与传统6拍控 制法相比，具有转矩脉动小，出力大的优点；与常规的正弦波电流驱动法相比，具有控制简 单，成本低廉的优点。(2)本发明采用的无刷直流电机无位置传感器控制装置只使用了简单 的外围电路，主要功能都依靠软件实现，即利用XC866单片机内嵌的模数转换单元，在PWM 开通时刻对非导通相绕组端电压进行采样，得以忽略开关噪声，并用软件实现反电势过零点 的判断，得到转子位置信息，使得对外围电路的需求降到了最低(不需要低通滤波器来消除 高频开关噪声，也不需要硬件比较器来判断反电势过零点)。因此，在本发明所提出的无刷直 流电机无位置传感器控制装置上来实现12拍控制法，最终达到了既有效抑制电磁转矩脉动， 又降低系统成本的目的。
图1是12拍控制法的控制示意图。
图2是本发明采用无位置传感器控制方式实现12拍控制法的流程图。 图3是本发明一个实施例的系统结构图。
具体实施方式
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本发明的优选实施例结合
如下参见图3，本基于12拍控制的无刷直流电机无 位置传感器控制装置包括直流电源l、三相逆变器2、无刷直流电机3、三相逆变器功率器件 驱动电路4、微控制器5和转子位置检测电路6。直流电源1经三相逆变器2和无刷直流电机 3连接；转子位置检测电路6连接无刷直流电机3进行检测后输出的信号直接连接至微控制 器5的模数转换输入引脚；微控制器5的六路输出经三相逆变器功率器件驱动电路4连接至 三相逆变器2。三相逆变器功率器件驱动电路4采用IR2130型芯片，微控制器5采用XC866 型微控制器。
下面参照附图对本发明专利的具体实施方式
进行详细说明。本发明系统结构如图3所示，系 统核心是XC866型单片机。该芯片拥有一个电机控制外设CCU6(比较捕获模块)， CC60， CC61, CC62, C0UT60, C0UT61, C0UT62分别为用于控制无刷直流电机的六路换相及PWM控
制输出引脚，其输出信号为G 5V的电平信号。上述换相及PWM控制输出引脚分别与三相功率驱动芯片IR2130的输入引脚HIN1， L皿，HIN2， LIN2， HIN3， LIN3连接。其输出信号经 IR2130功率放大为0 15V的电平信号，最终通过输出引脚HOl， LOl， H02, L02， H03， L03
输出，可直接对六个功率开关^ ^^进行功率驱动与PWM控制。转子位置检测电路由一个 分压电阻网络组成，其从电机三相引出线。将无刷直流电机的端电压信号进行分压后与微控
制器XC866的模数转换输入引脚~ 连接。
参见图1和图2，本基于12拍控制的无刷直流电机无位置传感器控制方法，采用上述装 置进行控制，利用XC866型单片机内部的捕获/比较单元6 (CCU6)、功能扩展的10位模数转 换单元(ADC)和16位定时器T2，来实现基于12拍控制的无刷直流电机无位置传感器控制。 对于CCU6模块，主要用到其内部的两个独立定时器T12和T13。首先利用T12周期-匹配中
断(T12周期值为eo"电角度对应的时间)进行偶数步换相，并更改PWM占空比的值；然后将
T12当前的周期值T'等分成两份，利用T2计满d"巧时间后，进入T2溢出中断进行奇数步换
相，并更改PWM占空比的值，以保证偶数步占空比的值为奇数步占空比值的^/2倍；接着启 动ADC采样非导通相绕组的端电压，利用产生PWM信号的T13的周期-匹配中断触发ADC转换， 由于驱动电路IR2130造成控制输出的延时，使得ADC刚好捕捉到PWM开通时刻的端电压信息
C/，然后将其与直流侧电压的一半"*/2进行比较，二者值相等的时刻为获得反电势过零点 的时刻，即当反电势逐渐降低时，如果">[/*/2，则继续采样比较，当"<[/*/2的瞬间，记 下此时T12的计数值r (为从偶数步换相到反电势过零点所经历的45°电角度对应的时间)， 反电势逐渐增加的情况与之类似，只不过"从小于"*/2变为大于^/2，然后将T12的周期
值更新为^^+5")。重复以上过程，得以实现基于12拍控制的无刷直流电机的无位置传感 器控制。
权利要求
1.一种基于12拍控制的无刷直流电机无位置传感器控制装置，包括直流电源(1)、三相逆变器(2)、无刷直流电机(3)、三相逆变器功率器件驱动电路(4)、微控制器(5)和转子位置检测电路(6)，其特征在于所述直流电源(1)经所述三相逆变器(2)与所述无刷直流电机(3)连接；所述转子位置检测电路(6)连接所述无刷直流电机(3)进行检测后输出的信号直接连接至所述微控制器(5)的模数转换输入引脚；所述微控制器(5)的六路输出经所述三相逆变器功率器件驱动电路(4)连接至所述三相逆变器(2)。
2. 根据权利要求1所述的基于12拍控制的无刷直流电机无位置传感器控制装置，其特征在 于所述三相逆变器功率器件驱动电路(4)采用IR2130，其HIN1、 LIN1、 HIN2、 LIN2、 HIN3和LIN3引脚连接微控制器(5)，而HOl、 VS1、 LOl、 H02、 VS2、 L02、 H03、 VS3和L03引脚连接到三相逆变器(2);所述微控制器(5)采用XC866型单片机，其 AN0、 AN1和AN2引脚连接转子位置检测电路(6), CC60、 COUT60、 CC61、 COUT61、 CC62和COUT62引脚连接三相逆变器功率器件驱动电路(4);所述转子位置检测电路(6) 由一个分压电阻网络组成。
3. —种基于12拍控制的无刷直流电机无位置传感器控制方法，采用权利要求1所述的基于 12拍控制的无刷直流电机无位置传感器控制装置进行控制，其特征在于利用XC866单 片机内嵌的模数转换单元，在PWM开通时刻检测两管导通区间内非导通相绕组的端电压， 将其与直流侧电压的一半进行比较，二者值相等的时刻视为获得反电势过零点的时刻，以 此作为12拍换相的依据来实现无刷直流电机的无位置传感器控制；具体操作方法如下 首先进行偶数步换相；然后延时30°电角度进行奇数步换相；接着启动XC866单片机内嵌 的模数转换单元，在PWM开通时刻检测非导通相绕组的端电压，将其与直流侧电压的一半 进行比较，二者值相等的时刻为获得反电势过零点的时刻，此时记录下从偶数步换相到反电势过零点所经历的45Q电角度对应的时间r，以r和当前偶数步换相周期r,.为依据，将下一个偶数步换相周期7^更新为(lr + l。，以响应速度的变化；重复以上过程，得以实现基于12拍控制的无刷直流电机的无位置传感器控制。
全文摘要
本发明涉及一种基于12拍控制的无刷直流电机无位置传感器控制装置及方法。本装置包括直流电源、三相逆变器、无刷直流电机、三相逆变器功率器件驱动电路、微控制器和转子位置检测电路。直流电源经三相逆变器与无刷直流电机连接；转子位置检测电路连接无刷直流电机进行检测后输出的信号直接连接至微控制器的模数转换输入引脚；微控制器的六路输出经三相逆变器功率器件驱动电路连接至三相逆变器。本方法利用XC866单片机内嵌的模数转换单元，在PWM开通时刻检测两管导通区间内非导通相绕组的端电压，获取反电势过零点来作为12拍换相的依据，从而降低了所采用无刷直流电机无位置传感器控制装置对外围电路的需求，达到既有效抑制电磁转矩脉动，又降低系统成本的目的。
文档编号H02P6/14GK101557187SQ200910050329
公开日2009年10月14日 申请日期2009年4月30日 优先权日2009年4月30日
发明者杰 孙, 巍 崔, 范洪伟, 马艳丽 申请人:上海大学