北京永光高特微電機有限公司
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基于XCl64CM的無傳感器無刷直流電動機控制方法

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.fupoqq9.cn瀏覽數:392

   摘要:介紹一種采用單片機驅動無傳感器直流無刷電動機的方法,它在PWM導通期間對電機端電壓進行采樣檢測,判斷繞組反電勢過零點的到達時間,并通過簡單的線性運算進行誤差校正,推算三相功率器件的換向導通時間。實驗證明,這種方法檢測精度高,抗干擾能力強,硬件檢測電路簡單,實現容易。

1引  言

   在永磁無刷直流電動機控制過程中轉子位置信號是必不可少的,傳統的方法是安裝位置傳感器來進行轉子位置檢測。但在一些高溫、高壓、密封的環境中無法安裝傳感器,而采用檢測電機繞組產生的反電動勢過零點來獲得轉子位置信息。但反電勢信號總是與驅動電路的PWM驅動信號混合在一起,因而檢測反電勢的問題也就是濾除反電勢中的強干擾脈沖問題。一般的方法是用模擬低通濾波器將混合信號濾波,獲取反電勢,但這種方法會產生較大的相移,而且隨輸出頻率的不同,相移的大小會發生變化,很難通過補償的方法進行校正。由于反電勢過零點測不準,勢必會影響驅動器換相時間的準確度,從而影響電機的運行效率。本文介紹一種通過專用單片機在PWM的特定位置采樣電機繞組端電壓,通過計算獲得反電勢過零點的方法。

2利用反電勢檢測轉子位置的基本原理

   無刷直流電動機一般采用120°電角度導通方波驅動方式,即在180°電角度中,每相導通時間只有120°電角度,一個周期內共有6種導通方式,如表1所示,每一種模式與電機轉子對應相位同步。

表1導通模式

   在一個周期內,電機的三個繞組產生的反電勢共有6個過零點,每個過零點之間相差60°電角度,與之對應,轉子位置也被過零點分為六種模式。檢測到過零點后30°電角度進行模式切換,即由一種導通模式轉換成下一種導通模式,每種模式持續時間為60°電角度。圖1是無刷直流電動機反電勢與控制時序,圖中實線、虛線及點劃線分別代表U、V、W三相的驅動電壓和反電勢波形。電壓為正時對應相的上半橋導通,電壓為負時對應相的下半橋導通。無位置傳感器直流電動機驅動的主要問題就是準確的檢測反電勢過零點的位置,從而獲得電機轉子的準確位置,在適當的時刻根據確定的時序對通電繞組進行切換。

 圖1反電勢與控制時序

3反電勢過零檢測的實現

   反電勢檢測的原理是:無刷直流電動機在運轉過程中,同一時間只有兩相繞組處于工作狀態(即該兩相所對應的功率器件處于。PWM狀態),而第三相處于懸空狀態,其端電壓等于感應電勢。對于永磁無刷直流電動機而言,其感應電勢近似等于反電勢,而反電勢的過零點就發生在該相繞組懸空期間。此時通過檢測該相的端電壓可以間接地檢測到該相反電勢的過零點。類似的可以檢測其他兩相的全部過零點,從而確定換向時序。

現代的直流電機調速器通常通過PWM方法來完成調速過程。PWM控制方法使待檢測感應電勢信號與開關脈沖混雜在一起,使用傳統的模擬低通濾波器很難濾除脈沖干擾,而且帶來了比較大的相位延遲,使過零點檢測誤差較大,影響電機運行效率及穩定性。本文采用現代數字技術,使用專用單片機對懸空繞組在其它繞組通電的情況下進行反電勢信號采樣,并進行分析,濾除干擾脈沖,準確地識別出過零點。

 圖2繞組電氣模型示意圖

 圖2是電機一相繞組的電氣模型示意圖。圖中L為相電感,R為相電阻,E為反電勢,Vn為三相繞圖2繞組電氣模型示意圖組星型連接中點對地電壓,Vx為端電壓,根據圖2所示的模型可得下式: (1)

   以W相懸空的60°期間為例,并設此時電機的通電狀態為U正V負,即U相上橋臂導通,V相下橋臂導通。在PWM導通期間,電流由U相流入V相流出,W相不導通。此時,Iu= 一Iv=I,Iw=0,由式(1)可得: (2)

設電源電壓為V,根據圖1可知,在W相不導通的這段時間內,Vu=Vp,Vv=0,Eu= 一Ev,由式(2)可得:

 (3)

式(3)說明,在PWM導通期間,懸空繞組的端電壓等于反電勢與1/2電源電壓的疊加,故可以通過將該繞組的端電壓與l/2電源電壓進行比較獲取反電勢過零點。

 圖3繞組的端電壓波形

   圖3示出了PWM驅動方式下電機繞組的端電壓波形。在60°電角度區間,

該相繞組處于懸空狀態,而另兩相繞組處于工作狀態。圖3繞組的端電壓波形在此段時間內,其他兩相分別與電源的正負極相連,可以看出,在PWM導通期問,該繞組的反電勢疊加在1/2電源電壓之上,其波形正確反映在繞組端口上,因而可以在每一次PWM導通期間采樣該端口的電壓,判斷過零點。因為只在PWM導通期間進行采樣,所以載波周期會使過零點檢測產生誤差,最大誤差是一個載波周期的時間??梢酝ㄟ^減小載波周期即增加載波頻率的方法來減小誤差,載波頻率越高,該誤差越小,影響也越小。但較高的載波頻率會增大逆變器中功率管的開關損耗,使逆變器發熱增加,效率降低,并且會增加單片機的系統消耗,降低PWM載波的脈寬分辨率。無刷直流電動機反電勢近似為梯形波,在過零點附近的電壓曲線接近于一條直線。因此,在載波較低的情況下可以通過線性插值運算計算出其它時刻的端電壓,從而獲取比較準確的過零點時間。  

 圖4驅動波形

圖4是XCl64CM專用單片機產生的一個周期的驅動波形示意圖,它采用上橋臂全通,下橋臂進行PWM調制的方式。從圖中可以看出一個周期被分為六個階段,每一個階段持續60°電角度。反電勢檢測在每一次PWM中斷程序中進行,圖中①、②兩點示出W相在過零點前后的兩次采樣點,由于此時W相處于懸空狀態,故檢測該相的端電壓。根據電機的運轉相序,該相此刻的反電勢應由正變負,假設中點電壓為Vn(由式(3)可知Vn= ),過零點時刻為tn,在①點檢測到端電壓為V1,檢測時刻為t1(以上一次的過零點時刻為零時刻),并且V1>Vn;在下一個PWM導通期即②點繼續檢測,此時檢測到的電莊為V2,檢測時刻為t2,并且V2>Vn,此時即可以判斷出反電勢已經過了過零點。為簡化計算,將①、②兩點間的反電勢近似看作是一條直線,則過零點的時刻可以通過直線方程解出:

 (4)

則: (5)

   檢測到過零點后,以該點時刻為基準,延遲30°電角度(兩次過零點的時間間隔的1/2)后,對逆變器模式進行轉換。圖4中的S點表示換相時刻。

利用上述原理也可以對反電勢過零點的時刻進行預測,提高系統的抗干擾能力和可靠性。

 圖5采樣濾波電路測。

   圖5是電機端電壓采樣電路。電機繞組端電壓通過電阻分壓后再經過RC電路濾除高頻干擾,然后送至單片機A/D口進行檢  圖中RC電路組成簡單的低通濾波器,用來減小PWM開關瞬間產生的電壓尖峰干擾。為了不使其對反電勢信號相位造成影響,應選擇RC濾波器的截止頻率遠大于PWM的載波頻率,使其對反電勢造成的影響可以忽略不計。該電路非常簡潔,有利于降低系統的硬件成本和調試難度,提高可靠性。4用XCl64CM專用單片機實現無傳感器無刷直流電動機驅動

   XCl64CM單片機是德國SIEMENS公司推出的用于交/直流電機控制的增強型16位單片機,其結構新、性能強、編程簡單、適應性強。

   XCl64CM的特點是:①采用C166SV2內核,具有5級指令流水線,指令執行時間達到25 ns,可以媲美DSP;②具有片內FLASH,容量達64 kB;⑧2 k字節片內雙口RAM,2 k字節片內數據SRAM及2 k字節片內程序/數據SRAM;④有功能強大的CCU單元,用來產生驅動三相電機(交流、無刷直流電動機)的信號;⑤具有自校檢的10 bit 14路A/D轉換器,轉換速度2.15μs。⑥具有單周期16×16位乘法、32÷16位除法及乘法累積指令,可快速處理

復雜的數學運算。XCl64CM的最大優點是:內部CCU單元使電機控制的外部硬件電路大大簡化,其強大的運算能力可以完成如位置信號預測估計等更為有效復雜的算法,非常適應于變頻調速的電控系統。而且其價格低廉,具有廣泛的市場前景。

   基于XCl64CM的直流無刷電動機控制系統驅動部分如圖6所示,主要由整流電源、控制板、IPM功率模塊三部分組成。電機的三個繞組端電壓直接引入控制板,經過如圖4所示的采樣濾波電路濾除開關毛刺后,送人單片機的AD轉換部分進行采樣,其結構非常簡單。

    圖6驅動系統結構

   電機控制系統軟件部分共分為五個部分:初始化程序;他控式起動程序;狀態轉換程序;速度閉環PI控制;CAPCOM6中斷服務程序。圖7是控制軟件系統的整體結構,虛線內是過零點檢測及驅動電壓模式切換部分的軟件結構。

    圖7軟件結構

單片機上電后先經過初始化程序完成各控制單元的初始配置,然后根據指令要求開始起動電機。無刷直流電動機在靜止或低速時反電勢為零或很小,無法用來判斷轉子位置,因而采用他控式同步起動方式。本例采用三段式起動,具體方法是先定位轉子位置,然后按預先設定的相位順序進行位置開環驅動,使電機由靜止逐漸加速,直至轉速足夠大,繞組感應電勢能夠被準確檢測,最后切換到位置閉環方式運行。電機端口電壓采樣在CAPCOM6單元的T13定時器中斷服務程序中完成。該定時器用來產生PWM信號,其中斷與PWM輸出同步,每次進入該中斷后輸出的PWM信號正好處于開通狀態。該單元的T12定時器用來記錄采樣點的時間和確定驅動模式的切換時刻。檢測到過零點后,通過定時器設定好本次切換時刻,整個切換過程即可由CAPCOM6單元自動完成。值得注意的是,進入中斷后程序應延遲一段時間后再進行采樣,這樣可以有效地避開功率管開關瞬間形成的強干擾,如圖8所示。

 圖8延時采樣

5實驗

我們用XCl64CM作為主控芯片設計了1.5 kw的無傳感器直流無刷電動機驅動變頻驅動器,驅動1.5 kW的空調專用變頻壓縮機,轉速范圍900~7 200 r/min,最高輸出頻率240 Hz。圖9為電機運行的電壓波形。  

 圖9電機運行電壓曲線

   實驗證明,利用XCl64CM的強大的電機驅動能力和快速的運算能力可以通過軟件算法實時計算出反電勢過零點位置,簡化了硬件電路,從而提高了系統的可靠性。而且對利用反電勢確定的切換時問進行了校正,使切換時間更準確,從而提高了電機的效率。

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