无刷直流电机转子位置检测的新方法

无刷直流电机转子位置检测的新方法作者：山东大学陈瑜黄玉王兴华要摘要：介绍了无刷直流电机无位置传感器转子位置检测的一种新方法。该方法利用非导通相反电势逻辑电平经逻辑处理后得到一脉冲列，采用PLL锁相技术将脉冲列倍频，通过倍频电路计数器的计数值可以精确检测转子位置。利用数字比较技术将计数值与锁存器中的预置数值比较，可以精确控制绕组电流的最佳换向时刻。通过调节锁存器中的预置值可以方便地调节换向角，非常适用于无刷直流电机的各种控制算法。同时该方法克服了外同步起动过程中易产生的振荡和失步现象。通过实验证明该方法是正确的、有效的。关键词：无刷电机；无位置传感器；检测1引言无刷直流电机运行时需要采用位置传感器检测转子磁场位置信号，以控制逆变器功率管的换流，实现电机的自同步运行。传统的位置传感器是采用电子式或机电式传感器件直接测量，如霍尔效应器件（HED）、光学编码器、旋转变压器等。然而，这些传感器有以下缺点：①分辨率低或运行特性不好，有的对环境条件很敏感，如振动、潮湿和温度变化都会使性能下降。②增加了电气连接数目，给抗干扰设计带来一定困难。③占用电机结构空间，限制了电机的小型化。因此，无刷直流电机的无位置传感器化技术近年来日益受到人们的关注，国内外研究人员在这方面进行了积极的研究，提出了诸多方法，主要可分为反电势法、电感法、磁链法、旋转坐标系法、观测器法、卡尔曼滤波器法等［1～4］。反电势法简单、可靠，得到了广泛应用，其它方法由于计算复杂、对参数的鲁棒性差等原因应用较少。但反电势法的缺点是：①低速时反电势小，难以得到有效转子位置信号，系统低速性能差。②需用低通滤波器去掉端电压中高频噪声并移相30°以满足换流要求，对滤波器要求较高，同时滤波器容易产生移相误差，而且移相误差大小与速度有关，难以补偿［5］。③对换相角调节困难，无法控制换相角γ（超前或滞后）的大小。④若采用外同步脉冲起动，当驱动信号由外同步脉冲驱动向内同步脉冲驱动切换时，由于切换点的相位误差易产生振荡甚至失步［6］。针对以上问题，本文提出了一种新型转子位置检测的方法，以三相6拍运行的无刷直流电机为例，该方法利用非导通相反电势的过零检测信号，经逻辑处理后，得到一周期为60°电角度的脉冲列，利用PLL锁相技术对该脉冲列进行倍频，通过同步计数器计数值和锁存器预置数值的比较，可获得理想的换相点，从而精确控制换相时刻，且无时间延迟。起动时，依靠对电机在最佳切换时刻，以最佳触发方式投入自同步运行，使起动过程平稳可靠。利用数字比较技术，依靠锁存器中的不同赋值，可以灵活准确地实现换向角超前或滞后的控制，对无刷直流电机的矢量控制、弱磁控制等控制策略的实现十分方便，实验证明该方法是正确的，有效的。2原理无位置传感器控制无刷直流电机的系统原理框图如图1所示，电机工作于三相6拍工作方式，采用电压外环、电流内环的双闭环控制，逆变器功率管以PWM调制方式工作，控制器以MC8031为核心。电机运行时，检测非导通相的反电势过零点，利用过零比较器将反电势信号Ea、Eb、Ec分别转换为逻辑电平信号Va、Vb、Vc如图2所示。采用CMOS门电路组成的脉冲倍频器如图3所示，将Va、Vb、Vc倍频后相或，得一脉冲信号H，如图2所示，此时H脉冲列周期为60°电角度，从图2中可看出t0时刻恰好a相反电势向上过零，应延时30°电角度即在t0、t1时刻的中点t4时刻开通Ta+，关断Tc+；同理在t5时刻应开通Tc-，关断Tb-；在t6时刻应开通Tb+，关断Ta+……。可见精确确定t4、t5、t6……时刻是实现准确换流的关键，本文引入了PLL技术，利用锁相环将H脉冲信号N倍频，当倍频电路中计数器计数值等于N／2时，恰为最佳换相点。利用数字比较器将计数器计数值与锁存器中的预置数值进行比较，且锁存器中可预置数值N／2，从而可以检出最佳换相时刻，然后调用换相子程序，实现换相过程，其误差为±0.5LSB合±30°/N角度，可见该方法对换相点的控制精确。在无刷直流电机的矢量控制、弱磁控制中要求对电机换相角γ进行超前或滞后控制，且换相角是随运行工况而变化的时变量，因此对换相角的控制应快速准确。若控制算法计算出的换相角为γ0（超前为正滞后为负），则换相点对应计数器的计数值M应为：将M值立即写入锁存器，则下一换相点便在超前γ0角度处换向。可见该方法对换相角λ的控制灵活、方便、快速，满足无刷直流电机的各种控制策略的控制要求。电机起动时，在换相子程序中首先利用软件检测外同步驱动向内同步驱动切换的指令信号，则读出Va、Vb、Vc的状态，依此判断出逆变器功率管的触发状态，发出触发脉冲；否则中断返回。由于换向中断程序是在最佳换向时刻被触发的，所以切换点一定是最佳换向时刻，从而避免了切换过程中的振荡或失步。同时，利用H脉冲的倍频信号SP作为位置信号，借助于恒频的时钟信号作为时钟，采用M／T法，可以方便地获得电机的转速。3无刷直流电机位置检测的实现从图2可知，反电势信号Ea、Eb、Ec经过零比较器后，得到反电势逻辑电平信号Va、Vb、Vc，三路逻辑电平信号Va、Vb、Vc分别经图3所示的脉冲倍频器后相或，得H脉冲列，这样一个反电势周期对应6个H脉冲。相邻H脉冲上跳沿的中点便是理想换向点。图4为无位置传感器位置检测电路，图中锁相环CD4046和2进制串行计数／分频器CC4024构成128倍频电路，SP为倍频信号。相邻两个H脉冲上跳沿之间被128倍频，则当计数器CC4024计数值为64时便对应最佳换向时刻。由两片并行数字比较器CC14585构成的8位数字比较器时刻将计数器的计数值与锁存器的输出值进行比较，锁存器为8031系统扩展的一个外设端口，主要存储换相角γ对应的计数值，若将数值64存入锁存器，则每当计数器CC4024计数值为64时，数字比较器CC14585（1）的3引脚便发出一个脉冲，此脉冲作为换向中断请求信号向CPU请求中断，调用换向子程序，实现电机绕组电流的换向。在无刷直流电机的矢量控制和弱磁控制过程中，CPU适时计算电机绕组的换相角γ，每完成1次换相角γ的计算，立即向锁存器中写入与之对应的计数值M，计数值M与换相角γ的关系为：则下一换相点便在换相角γ处换向，换向误差为±0.5LSB合±0．234°电角度，完全满足精度要求。4测速电路的实现图5为测速电路，8253的计数器0和计数器2都工作在方式2状态。其中，计数器0对来自CD4046的倍频脉冲SP进行计数，计数器2对来自8031ALE引脚的高频时钟脉冲fc进行计数。D触发器74LS74用来使高频时钟脉冲的计数与倍频脉冲SP同步。由于8253为负沿计数，故加入反相器74LS04。8031的P1．6端给出起动和测速信号。CPU采用M／T法适时计算出电机的转速。5换向子程序换向子程序的主要功能是，根据正、反转命令和反电势逻辑电平状态确定出相应的功率管开关状态。其框图如图6所示。在中断子程序中CPU首先读入a、b、c三相的反电势逻辑信号，然后判断电机的正反转状态（依据主程序中的正反转标志），根据正、反转状态和三相反电势逻辑状态信号查表确定逆变器的开关状态。正、反转状态下，反电势逻辑状态信号和开关状态之间的对应关系如表1、表2所示，它们以表格的形式存入EPROM中。6实验结果本文以1台750W、4极无刷直流电动机为样机，采用8031单片机控制，起动过程采用三段式起动，锁存器预置数值为64。通过实验证明采用上述无位置传感器技术，电机系统起动平稳，无振动和失步现象，调整范围为150～1500r／min，反电势与功率管驱动信号实测相位关系如图7所示，可见上述方法是正确可行的。7结论（1）利用PLL锁相环技术和并行数字比较技术可以精确控制换相角γ的大小，控制灵活、方便、快速，适用于无刷直流电机的各种控制策略。（2）起动过程中，该方法可以精确实现外同步驱动到内同步驱动的切换，避免了起动过程中的振荡和失步现象。（3）该方法中，可以利用倍频信号获得电机转速大小。参考文献：［1］J．C．Moreira．IndirectSensingforRotorFluxPos－itionofPermanentMagnetACMotorsOperatinginaWideSpeedRange［J］．Conf．Rec．IEEEIASAnn．Mtg．1994：401－407．［2］S．Ogaswara．AnApproachtopositionSensorlessDriveforBrushlessDCMotors［J］．IEEETrans．Indus．Appli．1991，27（5）：928－933．［3］C．French．ControlofPermanentMagnetMotorDrivesUsingaNewPositionEstimationTechnique［J］．IEEETrans．Indus．Apli．，1996，32（5）：1089－1097．［4］R．Dhaouadi，DesignandImplementationofanExitedKalmanFilterfortheStateEstimationofaPermanentMagnetSynchronousMotor［J］．IEEETransPowerElectron．，1991，6（3）：494－497．［5］沈建新．反电势法检测无刷直流电动机转子位置的误差分析［J］．电工技术学报，1998，13（1）：10－14．［6］郝晓辉．无位置检测器无刷直流电机自寻最佳点切换法［J］．微电机，1998，31（1）：22－24．(end)