专利名称：宽调速范围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，特别是一种具有低成本特点且可以有效提高位置检测精度、实现宽调速范围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，无刷直流电机无位置传感器控制采用的常规方法是反电势过零点检测法。 这种检测方法主要应用在两两导通、三相六状态的方波无刷直流电机中。其工作原理为 由于无刷直流电机未导通相的反电势在一个周期内都存在两次过零点，并且每个过零点都超前下次换相点30°电角度。因此，只要检测出电机未导通相绕组中的每个过零点，再延迟30°电角度，就可以得到下次换相点的时刻，从而实现无位置传感器控制。但是，传统的反电势过零点检测法存在以下缺陷首先，低速时反电势采样信号幅值较小，现有方法难以实现反电势过零点的精确检测，导致无刷直流电机无位置传感器控制系统的低速运行性能不理想，无法实现宽调速范围，限制了现有无位置传感器控制技术的应用范围。其次，如图3所示由于受到调速运行时脉宽调制影响，现有方法中的反电势采样信号包含丰富的高频干扰，导致位置检测精度不高，影响了调速性能。第三、现有方法大都采用端电压与重构的电机中心点相比较以间接得到反电势过零点，实现方法通常采用模拟比较器和相关外围硬件电路来实现，从而增加了系统的成本。上述原因严重限制了无刷直流电机无位置传感器控制系统的应用推广。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提出一种宽调速范围的无刷直流电机无位置传感器控制装置及方法，从而有效提高低速运行时反电势的检测精度，实现宽调速范围运行。为达到上述目的，本发明的构思如下通过微控制器的模数转换通道对电机三相绕组的端电压进行采样。利用基于压差转换的信号处理算法对三相绕组的端电压采样信号进行处理，得到包含断开相反电势信息且幅值为断开相反电势幅值两倍的反馈信号， 并使之与零电位进行比较，两者值相等的时刻视为获得反电势过零点的时刻，以此作为电机绕组换相的依据来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。采用具有良好性价比的微控制器用软件方法判断反电势过零点，结合两相导通的功率管同时进行 PWM斩波控制的调制模式，包含断开相反电势信息的采样信号将不受脉宽调制干扰的影响 (如图4所示)，过零点处波形光滑、清晰，进一步提高了本发明装置和方法的运行性能和可靠性。同时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。基于压差转换方法的信号处理算法具体描述为利用微控制器的模数转换通道实时采样电机三相绕组的端电压值，通过软件算法分别计算相序超前(相对于断开相绕组) 的绕组端电压和断开相绕组端电压之间的电压差Ul和断开相绕组端电压与相序滞后(相对于断开相绕组)的绕组端电压之间的电压差U2。Ul和U2之间的电压差U即为包含断开相绕组反电势信息的反馈信号。根据电机学原理可知，其幅值为实际断开相反电势幅值的两倍，且过零点时刻相同；
根据上述的发明构思，本发明采用下述技术方案
一种宽调速范围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 IR2136，其 HIN1、LIN1、HIN2、LIN2、HIN3 和 LIN3 引脚连接微控制器，而 HOI、VS1、L01、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)(C878，其AN0、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利用 XC878型单片机内部的定时器T12
周期-匹配中断(定时器T12的周期值！^为60。电角度对应的时间)进行换相控制，并更新 PWM占空比的值；接着启动单片机的模数转换器ADC采样三相绕组的端电压，利用产生PWM 信号的定时器Ti3的周期-匹配中断触发模数转换；单片机将采样值经过基于压差转换的信号处理方法处理，得到的反馈值π与零电位进行比较，二者值相等的时刻为获得反电势过零点的时刻，此时记录下从换相到反电势过零点所经历的电角度对应的时间T ；以
-和当前换相周期·^为依据，将下一个换相周期更新为fj ；· +TV ,以响应速度的变化；即
I1I2
当反电势逐渐降低时，如果U >0，则继续采样比较，当 <0的瞬间，记下此时定时器T12 的计数值T2 ,T2为从上一次换相到反电势过零点所经历的30°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IJ从小于0变为大于0 ；最后将定时器T12的周期值更新
为(1 + ),即更新电机的换相周期，以响应速度的变化；重复以上过程，得以实现无刷直流电机的无位置传感器控制。上述的基于压差转换的信号处理方法为通过微控制器的模数转换通道对电机三相绕组的端电压进行采样；利用电机三相绕组的端电压采样值，分别计算相序相对于断开
相超前相的绕组端电压UP+1和断开相绕组端电压uP之间的电位差U1以及断开相绕组
端电压UjP与相序相对于断开相滞后相的绕组端电压之间的电位差Uj ,计算公式分
别如式(1)和(2)所示；然后计算t/j和巧之间的电位差t/,计算公式如式(3)所亍”即为经压差转换方法处理后包含反电势信息的反馈信号，其幅值为实际断开相反电势幅值的两倍，且过零点时刻相同；
权利要求
1.一种宽调速范围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)；所述三相逆变器功率器件驱动电路(4)采用顶2136型三相功率驱动器，其Him、LINl、 HIN2、LIN2、HIN3 和 LIN3 引脚连接微控制器(5)，HOI、VS1、L01、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XC878型单片机，其AMKANl和AN2 引脚连接转子位置检测电路(6)，CC60、C0UT60、CC61、C0UT61、CC62和C0UT62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；功率逆变器采用两两导通的6拍工作模式，两管导通时全部采用PWM斩波控制方式。
2 一种宽调速范围无刷直流电机无位置传感器控制方法，采用根据权利要求1所述的宽调速范围无刷直流电机无位置传感器控制装置进行控制，其特征在于控制步骤如下由微控制器)(C878中的模数转换通道对电机三相绕组的端电压进行采样，用基于压差转换方法的信号处理算法对三相绕组的端电压采样信号进行处理，得到含有断开相反电势信息且幅值为实际反电势幅值两倍的反馈信号，并使之与零电位进行比较，两者值相等的时刻视为获得反电势过零点的时刻，以此作为电机绕组换相的依据来实现无刷直流电机的无位置传感器控制；具体步骤如下首先进行换相；接着启动)(C878单片机内嵌的模数转换单元采样三相绕组的端电压；然后单片机将采样值经过基于压差转换的信号处理方法进行处理， 得到的反馈值U与零电位进行比较，二者值相等的时刻为获得反电势过零点的时刻，此时记录下从换相到反电势过零点所经历的30°电角度对应的时间-；以-和当前换相周期^为依据，将下一个换相周期更新为if巧+T),以响应速度的变化；重复以上过程，得以实现无刷直流电机的无位置传感器控制。
3.根据权利要求2所述的宽调速范围无刷直流电机无位置传感器控制方法，其特征在于所述基于压差转换的信号处理方法为通过微控制器的模数转换通道对电机三相绕组的端电压进行采样；利用电机三相绕组的端电压采样值，分别计算相序相对于断开相超前相的绕组端电压J和断开相绕组端电压Bp之间的电位差U以及断开相绕组端电压Up与相序相对于断开相滞后相的绕组端电之间的电位差,计算公式分别如式(1)和(2)所示；然后计算之间的电位差7 ,计算公式如式(3)所示 ’ U即力经压差转换方法处理后包含反电势信息的反馈信号，其幅值为实际断开相反电势幅值的两倍，且过零点时刻相同； U1 = Up+1-Up (1)U2 = Up - UP_J (2)U = U1-U2(3)。
全文摘要
本发明涉及一种宽调速范围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XC878单片机内嵌的模数转换单元采样得到电机三相绕组的端电压，用基于压差转换的信号处理方法对采样值进行实时计算处理，得到含有断开相反电势信息且幅值为实际反电势幅值两倍的反馈信号，获取反电势过零点作为电机绕组换相的依据，从而提高了低速运行时反电势过零点的检测精度，达到宽调速范围运行的目的。
文档编号H02P7/29GK102545749SQ20121000281
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月6日 优先权日2012年1月6日
发明者付江波, 崔巍, 苗会彬, 骆苗 申请人:上海大学