專利名稱：基于12拍控制的無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制裝置及方法，特別是一種成本低廉的、 能夠有效抑制電磁轉(zhuǎn)矩脈動的基于12拍控制的無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制裝置及方法。
背景技術(shù)：
目前，控制無刷直流電動機(jī)采用的常規(guī)方法是120°導(dǎo)通型三相六狀態(tài)方波驅(qū)動法。這種方
法通常采用3個霍爾元件作位置傳感器，在360°電角度內(nèi)進(jìn)行6個換相步，算法簡單，驅(qū)動
控制電路也較簡單，因此成本低廉，適合眾多大量應(yīng)用的場合。但這種方法存在的突出缺點 是繞組電流含有豐富的諧波，使電磁轉(zhuǎn)矩脈動大，導(dǎo)致電動機(jī)運行的平穩(wěn)性變差，振動和噪 聲增大，無法適應(yīng)一些對精度和穩(wěn)定性要求稍高的應(yīng)用場合。采用正弦波電流驅(qū)動法是解決
轉(zhuǎn)矩脈動問題的一種有效方法。但是傳統(tǒng)的正弦波電流驅(qū)動法，如三相電流跟蹤法、~， ~型 矢量控制法等，除控制算法復(fù)雜，還需要價格昂貴的光電編碼器等位置傳感器來獲取連續(xù)的 轉(zhuǎn)子位置信號，從而增加了系統(tǒng)的體積和成本，而對于家電等消費類產(chǎn)品，成本是一個很重
要的制約因素。因此，傳統(tǒng)無刷直流電動機(jī)控制方法存在的缺陷是實現(xiàn)方便、成本低廉的1200
導(dǎo)通型方波驅(qū)動法無法應(yīng)用于高性能場合，而適用于高性能場合的正弦波電流驅(qū)動法卻又成 本太高，從而尋找一種既能有效抑制電磁轉(zhuǎn)矩脈動，又能降低成本的無刷直流電動機(jī)控制方 案，就具有十分重要的理論和現(xiàn)實意義。近幾年來，出現(xiàn)了一種新型的無刷直流電動機(jī)12拍
控制法，即采用兩管與三管交替導(dǎo)通、三相12狀態(tài)的150°導(dǎo)通方式，使無刷直流電機(jī)的相電
流波形接近正弦波來減小電磁轉(zhuǎn)矩脈動。這種12拍控制法除能有效減小轉(zhuǎn)矩脈動外，控制算 法也很簡單，但通常需要霍爾位置傳感器來獲取12個轉(zhuǎn)子位置信號，從而增加了系統(tǒng)的體積 和成本。若能夠采用無位置傳感器控制方式來實現(xiàn)這種12拍控制，就能達(dá)到既減小轉(zhuǎn)矩脈動，
又降低成本的目的。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對已有技術(shù)存在的缺陷，提出一種基于12拍控制的無刷直流電機(jī)無
位置傳感器控制裝置及方法，從而有效抑制電磁轉(zhuǎn)矩脈動，并降低系統(tǒng)成本。為達(dá)到上述目
的，本發(fā)明的構(gòu)思如下圖1給出12拍控制法的控制示意圖，其中，e。， A，、為三相反 電動勢，'"，'*， ^為三相電流，在一個360°電角度周期(-15°~345°)內(nèi)共有12個換相步，依7火為c+￡—、 C+」+丑-、爿+B一、 ^+B_C_、 ^+C_、、 ￡+C_ 、 5+乂—C—、 J5+j_ 、 fi+C+^_ 、
C+f 、 CJ-S- (" + "號表示一相上管導(dǎo)通，"—"號表示一相下管導(dǎo)通)?？梢姡渲械?個
奇數(shù)換相步為兩管導(dǎo)通方式，而6個偶數(shù)換相步為三管導(dǎo)通方式。由于在6個兩管導(dǎo)通區(qū)間 內(nèi)，每區(qū)間均對應(yīng)一相反電勢過零點，因此，可以通過檢測此狀態(tài)下非導(dǎo)通相反電勢過零點 來獲取轉(zhuǎn)子位置信息進(jìn)行換相，從而實現(xiàn)無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制以省卻傳感器的 費用，并采用性價比良好的微控制器用軟件方法判斷反電勢過零點，即在PWM開通時刻檢測 非導(dǎo)通相繞組的端電壓，將其與直流側(cè)電壓的一半進(jìn)行比較，二者值相等的時刻為獲得反電 勢過零點的時刻，無需像傳統(tǒng)方法通過對端電壓信號進(jìn)行濾波來消除高頻開關(guān)噪聲以取得反 電勢過零點，從而省卻濾波器電路和模擬比較器，最大地簡化系統(tǒng)的外圍電路，達(dá)到降低系 統(tǒng)成本的目的。
根據(jù)上述的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案
本發(fā)明的基于12拍控制的無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制裝置，包括直流電源、三相逆 變器、無刷直流電機(jī)、三相逆變器功率器件驅(qū)動電路、微控制器和轉(zhuǎn)子位置檢測電路，其特 征在于直流電源經(jīng)三相逆變器和無刷直流電機(jī)連接；轉(zhuǎn)子位置檢測電路連接無刷直流電機(jī) 進(jìn)行檢測后輸出的信號直接連接至微控制器的模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入引腳；微控制器的六路輸出經(jīng)三 相逆變器功率器件驅(qū)動電路連接至三相逆變器。上述三相逆變器功率器件驅(qū)動電路采用 IR2130，其HIN1、 LIN1、 HIN2、 LIN2、 HIN3和LIN3引腳連接微控制器，而HOl、 VS1、 LOl、 H02、 VS2、 L02、 H03、 VS3和L03引腳連接到三相逆變器。上述微控制器采用英飛凌公司的 專用電機(jī)控制芯片XC866，其ANO、 AN1和AN2引腳連接轉(zhuǎn)子位置檢測電路，CC60、 C0UT60、 CC61、 C0UT61、 CC62和C0UT62引腳連接三相逆變器功率器件驅(qū)動電路。上述轉(zhuǎn)子位置檢測 電路由一個分壓電阻網(wǎng)絡(luò)組成。
采用上述基于12拍控制的無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制裝置進(jìn)行控制的方法是首先
進(jìn)行偶數(shù)步換相；然后延時3()°電角度進(jìn)行奇數(shù)步換相；接著啟動XC866單片機(jī)內(nèi)嵌的模數(shù)轉(zhuǎn) 換單元，在PWM開通時刻檢測非導(dǎo)通相繞組的端電壓，將其與直流側(cè)電壓的一半進(jìn)行比較， 二者值相等的時刻為獲得反電勢過零點的時刻，此時記錄下從偶數(shù)步換相到反電勢過零點所
經(jīng)歷的45°電角度對應(yīng)的時間『，以r和當(dāng)前偶數(shù)步換相周期^為依據(jù)，將下一個偶數(shù)步換相
周期^i更新為(；"^)，以響應(yīng)速度的變化。重復(fù)以上過程，得以實現(xiàn)基于12拍控制的無 刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制。將上述過程用圖2示出。由于兩管導(dǎo)通時產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩是三管導(dǎo)通時產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的^"倍，因此，為獲得
平穩(wěn)的電磁轉(zhuǎn)矩并實現(xiàn)調(diào)速，本發(fā)明采用下述PWM斬波方式兩管導(dǎo)通時， 一管采用PWM斬 波，另一管采用恒通控制方式；三管導(dǎo)通吋， 一管采用PWM斬波，其占空比的值為兩管導(dǎo)通
時占空比值的^/2倍，另兩管釆用恒通控制方式。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下優(yōu)點(1)本發(fā)明采用的12拍控制法與傳統(tǒng)6拍控 制法相比，具有轉(zhuǎn)矩脈動小，出力大的優(yōu)點；與常規(guī)的正弦波電流驅(qū)動法相比，具有控制簡 單，成本低廉的優(yōu)點。(2)本發(fā)明采用的無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制裝置只使用了簡單 的外圍電路，主要功能都依靠軟件實現(xiàn)，即利用XC866單片機(jī)內(nèi)嵌的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，在PWM 開通時刻對非導(dǎo)通相繞組端電壓進(jìn)行采樣，得以忽略開關(guān)噪聲，并用軟件實現(xiàn)反電勢過零點 的判斷，得到轉(zhuǎn)子位置信息，使得對外圍電路的需求降到了最低(不需要低通濾波器來消除 高頻開關(guān)噪聲，也不需要硬件比較器來判斷反電勢過零點)。因此，在本發(fā)明所提出的無刷直 流電機(jī)無位置傳感器控制裝置上來實現(xiàn)12拍控制法，最終達(dá)到了既有效抑制電磁轉(zhuǎn)矩脈動， 又降低系統(tǒng)成本的目的。
圖1是12拍控制法的控制示意圖。
圖2是本發(fā)明采用無位置傳感器控制方式實現(xiàn)12拍控制法的流程圖。 圖3是本發(fā)明一個實施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
具體實施方式
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本發(fā)明的優(yōu)選實施例結(jié)合
如下參見圖3，本基于12拍控制的無刷直流電機(jī)無 位置傳感器控制裝置包括直流電源l、三相逆變器2、無刷直流電機(jī)3、三相逆變器功率器件 驅(qū)動電路4、微控制器5和轉(zhuǎn)子位置檢測電路6。直流電源1經(jīng)三相逆變器2和無刷直流電機(jī) 3連接；轉(zhuǎn)子位置檢測電路6連接無刷直流電機(jī)3進(jìn)行檢測后輸出的信號直接連接至微控制 器5的模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入引腳；微控制器5的六路輸出經(jīng)三相逆變器功率器件驅(qū)動電路4連接至 三相逆變器2。三相逆變器功率器件驅(qū)動電路4采用IR2130型芯片，微控制器5采用XC866 型微控制器。
下面參照附圖對本發(fā)明專利的具體實施方式
進(jìn)行詳細(xì)說明。本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，系 統(tǒng)核心是XC866型單片機(jī)。該芯片擁有一個電機(jī)控制外設(shè)CCU6(比較捕獲模塊)， CC60， CC61, CC62, C0UT60, C0UT61, C0UT62分別為用于控制無刷直流電機(jī)的六路換相及PWM控
制輸出引腳，其輸出信號為G 5V的電平信號。上述換相及PWM控制輸出引腳分別與三相功率驅(qū)動芯片IR2130的輸入引腳HIN1， L皿，HIN2， LIN2， HIN3， LIN3連接。其輸出信號經(jīng) IR2130功率放大為0 15V的電平信號，最終通過輸出引腳HOl， LOl， H02, L02， H03， L03
輸出，可直接對六個功率開關(guān)^ ^^進(jìn)行功率驅(qū)動與PWM控制。轉(zhuǎn)子位置檢測電路由一個 分壓電阻網(wǎng)絡(luò)組成，其從電機(jī)三相引出線。將無刷直流電機(jī)的端電壓信號進(jìn)行分壓后與微控
制器XC866的模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入引腳~ 連接。
參見圖1和圖2，本基于12拍控制的無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制方法，采用上述裝 置進(jìn)行控制，利用XC866型單片機(jī)內(nèi)部的捕獲/比較單元6 (CCU6)、功能擴(kuò)展的10位模數(shù)轉(zhuǎn) 換單元(ADC)和16位定時器T2，來實現(xiàn)基于12拍控制的無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制。 對于CCU6模塊，主要用到其內(nèi)部的兩個獨立定時器T12和T13。首先利用T12周期-匹配中
斷(T12周期值為eo"電角度對應(yīng)的時間)進(jìn)行偶數(shù)步換相，并更改PWM占空比的值；然后將
T12當(dāng)前的周期值T'等分成兩份，利用T2計滿d"巧時間后，進(jìn)入T2溢出中斷進(jìn)行奇數(shù)步換
相，并更改PWM占空比的值，以保證偶數(shù)步占空比的值為奇數(shù)步占空比值的^/2倍；接著啟 動ADC采樣非導(dǎo)通相繞組的端電壓，利用產(chǎn)生PWM信號的T13的周期-匹配中斷觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換， 由于驅(qū)動電路IR2130造成控制輸出的延時，使得ADC剛好捕捉到PWM開通時刻的端電壓信息
C/，然后將其與直流側(cè)電壓的一半"*/2進(jìn)行比較，二者值相等的時刻為獲得反電勢過零點 的時刻，即當(dāng)反電勢逐漸降低時，如果">[/*/2，則繼續(xù)采樣比較，當(dāng)"<[/*/2的瞬間，記 下此時T12的計數(shù)值r (為從偶數(shù)步換相到反電勢過零點所經(jīng)歷的45°電角度對應(yīng)的時間)， 反電勢逐漸增加的情況與之類似，只不過"從小于"*/2變?yōu)榇笥赹/2，然后將T12的周期
值更新為^^+5")。重復(fù)以上過程，得以實現(xiàn)基于12拍控制的無刷直流電機(jī)的無位置傳感 器控制。
權(quán)利要求
1.一種基于12拍控制的無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制裝置，包括直流電源(1)、三相逆變器(2)、無刷直流電機(jī)(3)、三相逆變器功率器件驅(qū)動電路(4)、微控制器(5)和轉(zhuǎn)子位置檢測電路(6)，其特征在于所述直流電源(1)經(jīng)所述三相逆變器(2)與所述無刷直流電機(jī)(3)連接；所述轉(zhuǎn)子位置檢測電路(6)連接所述無刷直流電機(jī)(3)進(jìn)行檢測后輸出的信號直接連接至所述微控制器(5)的模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入引腳；所述微控制器(5)的六路輸出經(jīng)所述三相逆變器功率器件驅(qū)動電路(4)連接至所述三相逆變器(2)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于12拍控制的無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制裝置，其特征在 于所述三相逆變器功率器件驅(qū)動電路(4)采用IR2130，其HIN1、 LIN1、 HIN2、 LIN2、 HIN3和LIN3引腳連接微控制器(5)，而HOl、 VS1、 LOl、 H02、 VS2、 L02、 H03、 VS3和L03引腳連接到三相逆變器(2);所述微控制器(5)采用XC866型單片機(jī)，其 AN0、 AN1和AN2引腳連接轉(zhuǎn)子位置檢測電路(6), CC60、 COUT60、 CC61、 COUT61、 CC62和COUT62引腳連接三相逆變器功率器件驅(qū)動電路(4);所述轉(zhuǎn)子位置檢測電路(6) 由一個分壓電阻網(wǎng)絡(luò)組成。
3. —種基于12拍控制的無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制方法，采用權(quán)利要求1所述的基于 12拍控制的無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制裝置進(jìn)行控制，其特征在于利用XC866單 片機(jī)內(nèi)嵌的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，在PWM開通時刻檢測兩管導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)非導(dǎo)通相繞組的端電壓， 將其與直流側(cè)電壓的一半進(jìn)行比較，二者值相等的時刻視為獲得反電勢過零點的時刻，以 此作為12拍換相的依據(jù)來實現(xiàn)無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制；具體操作方法如下 首先進(jìn)行偶數(shù)步換相；然后延時30°電角度進(jìn)行奇數(shù)步換相；接著啟動XC866單片機(jī)內(nèi)嵌 的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，在PWM開通時刻檢測非導(dǎo)通相繞組的端電壓，將其與直流側(cè)電壓的一半 進(jìn)行比較，二者值相等的時刻為獲得反電勢過零點的時刻，此時記錄下從偶數(shù)步換相到反電勢過零點所經(jīng)歷的45Q電角度對應(yīng)的時間r，以r和當(dāng)前偶數(shù)步換相周期r,.為依據(jù)，將下一個偶數(shù)步換相周期7^更新為(lr + l。，以響應(yīng)速度的變化；重復(fù)以上過程，得以實現(xiàn)基于12拍控制的無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于12拍控制的無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制裝置及方法。本裝置包括直流電源、三相逆變器、無刷直流電機(jī)、三相逆變器功率器件驅(qū)動電路、微控制器和轉(zhuǎn)子位置檢測電路。直流電源經(jīng)三相逆變器與無刷直流電機(jī)連接；轉(zhuǎn)子位置檢測電路連接無刷直流電機(jī)進(jìn)行檢測后輸出的信號直接連接至微控制器的模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入引腳；微控制器的六路輸出經(jīng)三相逆變器功率器件驅(qū)動電路連接至三相逆變器。本方法利用XC866單片機(jī)內(nèi)嵌的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，在PWM開通時刻檢測兩管導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)非導(dǎo)通相繞組的端電壓，獲取反電勢過零點來作為12拍換相的依據(jù)，從而降低了所采用無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制裝置對外圍電路的需求，達(dá)到既有效抑制電磁轉(zhuǎn)矩脈動，又降低系統(tǒng)成本的目的。
文檔編號H02P6/14GK101557187SQ200910050329
公開日2009年10月14日 申請日期2009年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月30日
發(fā)明者杰 孫, 巍 崔, 范洪偉, 馬艷麗 申請人:上海大學(xué)