直接檢測無刷直流電機轉(zhuǎn)子位置信號的方法

摘  要：為了實現(xiàn)無刷直流電機的無位置傳感器控制，提出了一種新穎的轉(zhuǎn)子位置信號檢測方法，該方法通過比較逆變器直流環(huán)中點電壓和電機斷開相繞組端電壓的關(guān)系，直接檢測到斷開相繞組反電動勢的過零點，再將該過零點延遲30°電角度即可獲得無刷直流電機繞組換相所必須的轉(zhuǎn)子位置信號。實驗證明，當電機運行在低速時該掛測方法可以良好地工作，因此應(yīng)用此檢測方法構(gòu)成的無刷直流電機無位置傳感器控制系統(tǒng)可以運行在很寬的速度范圍內(nèi)。文中對該檢測方法的原理進行了分析，得到了檢測電路的結(jié)構(gòu)圖并通過實驗驗證了該方法的正確性和可行性。
關(guān)鍵詞：無刷直流電機；反電動勢；過零點；轉(zhuǎn)子位置檢測

    無刷直流電機具有體積小、功率密度高、控制簡單、動態(tài)性能好等優(yōu)點，因此應(yīng)用也越來越廣泛。但無刷直流電機需要一套位置傳感器來控制其繞組換相，這給電機的可靠性、成本以及制造工藝要求等帶來了不利的影響。因此無刷直流電機的無位置傳感器控制成了目前研究的熱點，其中如何簡單準確地檢測無刷直流電機的轉(zhuǎn)子位置信號是實現(xiàn)無位置傳感器控制的關(guān)鍵，很多學者對此進行了研究。
    在各類方法中，反電動勢過零點檢測方法原理簡單，容易實現(xiàn)，是目前應(yīng)用最多的轉(zhuǎn)子位置信號檢測方法。文提出的通過檢測斷開相繞組端電壓來間接獲得反電動勢過零點的方法需要重構(gòu)電機中性點，由于重構(gòu)的中性點電壓里包含了大量的開關(guān)噪
聲，必須對檢測信號進行濾波，這會導(dǎo)致檢測信號與實際反電動勢過零點間的相移；文對文提出的方法進行了改進，但仍然需要重構(gòu)電機的中性點；文通過使用特殊的脈沖寬度調(diào)制(PWM)方法使斷開相繞組也產(chǎn)生導(dǎo)通現(xiàn)象，并通過檢測該導(dǎo)通現(xiàn)象來間接獲得反電動勢過零點，但該方法會引起負向的轉(zhuǎn)矩脈動而且需要6個獨立的電源供電，大大增加了檢測電路的成本；文提出的直接檢測反電動勢過零點的方法使用半橋調(diào)制方式，這種調(diào)制方式也會引起負向的轉(zhuǎn)矩脈動，而且該檢測電路只能在PWM關(guān)斷期間起作用，這使得PWM的占空比必須被限制在一定范圍內(nèi)。
    本文提出了一種新穎的轉(zhuǎn)子位置信號檢測方法，該方法無需重構(gòu)電機中性點，不受開關(guān)噪聲影響，因此也不必使用濾波電路。使用全橋調(diào)制方式，不會引入負向轉(zhuǎn)矩脈動，且可以工作在任意的PWM占空比下。實驗證明使用該檢測方法可以在很寬的速度范圍內(nèi)檢測到斷開相繞組反電動勢的過零點，從而得到轉(zhuǎn)子位置信號。該方法硬件實現(xiàn)簡單，可以直接使用驅(qū)動電路的電源進行供電，具有很強的實用性。

1 無刷直流電機控制系統(tǒng)
    普通的無刷直流電機采用三相逆變器供電，其繞組具有梯形波反電動勢和方波電流，每相繞組通電120°電角度，如圖1所示。為了使無刷直流電機在單位電流內(nèi)能夠輸出最大的轉(zhuǎn)矩，必須使各相繞組反電動勢和相電流保持相位一致。無刷直流電機
在正常導(dǎo)通期間只有兩相繞組通電，另外一相繞組斷開，因為斷開相繞組中沒有電流流過，因此其端電壓反映了該相繞組反電動勢的大小，而反電動勢的過零點領(lǐng)先該相繞組換相信號30°電角度。

    用本文提出的轉(zhuǎn)子位置信號檢測方法構(gòu)成的無刷直流電機無位置傳感器控制系統(tǒng)框圖如圖2所示，反電動勢過零點檢測電路在一個周期內(nèi)將得到的6個過零點信號輸入到數(shù)字信號處理器(DSP)，通過軟件延時30°電角度后產(chǎn)生繞組換相信號，為了簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，基于PWM的電流控制器和換相邏輯算法也由軟件實現(xiàn)。

2 新穎的轉(zhuǎn)子位置信號檢測方法
    本文提出的轉(zhuǎn)子位置信號檢測方法主要包括兩個步驟：首先直接將逆變器直流環(huán)中點電壓與斷開相繞組端電壓進行比較，得到斷開相繞組的反電動勢過零點信號，其電路結(jié)構(gòu)如圖3所示；然后再通過DSP將檢測得到的過零點信號延時30°電角度、從而得到無刷直流電機無位置傳感器控制必須的繞組換相信號。
    圖3中，T3管和T4管同時進行PWM調(diào)制，即全橋調(diào)制方式，A、B兩相繞組通電，C相繞組斷開。此時C相繞組端電壓Uc的電位始終在Udc和0之間，與T2和T5反并聯(lián)的二極管不會產(chǎn)生導(dǎo)通現(xiàn)象，從而消除了斷開相繞組的導(dǎo)通現(xiàn)象。R1和R2阻值相等，故Um=Udc／2。

    
    同理，當T3、T4管關(guān)斷，二極管D1、D6續(xù)流時，根據(jù)回路2可以得到相同的結(jié)果，即C相繞組端電壓的表達式仍為式(5)，所以無論PWM處于導(dǎo)通狀態(tài)還是關(guān)斷狀態(tài)，C相繞組端電壓Uc的表達式不變，即Uc都能反映該相繞組反電動勢的信息;而且該表達式中不含開關(guān)管導(dǎo)通壓降和續(xù)流二極管導(dǎo)通壓降，不受開關(guān)噪聲的影咆，因此也無需增加濾波電路。
    以T3、T4管導(dǎo)通為例來分析該檢測電路的工作過程，此時電流從B相繞組流進，從A相繞組流出，C相繞組處于斷開狀態(tài)，其反電動勢ec從-E逐漸增加到E。當ec<0時,Uc=Udc/2+ec<Um=Udc／2，Uo輸出高電平；當ec>O時，U=Udc／2+ec>Un=Udc／2，Uo則輸出低電平，比較器輸出信號Uo的跳變代表了斷開相繞組反電動勢的過零點，用該檢測電路得到的實驗波形如圖4所示。由實驗波形可以看出，本文設(shè)計的反電動勢過零點檢測電路能夠良好的工作，每一相檢測電路在一個周期內(nèi)給出兩個跳變信號，這樣通過延時即可得到該相繞組的兩個換相信號。但當電機繞組換相時，由于三相繞組同時導(dǎo)通，電機中性點電壓Un發(fā)生了突變，導(dǎo)致斷開相繞組端電壓的值Uc也發(fā)生變化，從而引起了反電動勢過零點檢測電