【導(dǎo)讀】有位置傳感器控制和無(wú)位置傳感器控制的對(duì)比...............8. 第五章無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)............37

　　

【正文】 3 PWM關(guān)斷時(shí)三相繞組等效電路圖 根據(jù)式 (31)， C相繞組有 ccNu e u?? （ 32） 對(duì) A、 B 兩繞組有 0N s aN s bdiu ri L edtdiu ri L edt? ? ? ? ????? ? ? ??? （ 33） 求解（ 32）、 (33)得 ()2abN eeu ??? （ 34） 文獻(xiàn) 【 20】 中認(rèn)為 0a b ce e e? ? ? ，從而推出 在 PWM 關(guān)斷時(shí)刻 2cN eu ?。三相繞組反電勢(shì)之和并不等于 0，而導(dǎo)通的 A, B 兩相繞組反電勢(shì)大小相等目方向相反，它們之和卻等于零。從而得此時(shí) 0Nu ? 。代入式 (32)得 ccue? （ 35） 因此，可以在 PWM 的關(guān)斷區(qū)間檢測(cè)非導(dǎo)通相的端電壓，繞組端電壓的過(guò)零點(diǎn)就是該相繞組反電勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)。由于在 PWM 的關(guān)斷區(qū)間 不含開關(guān)噪聲，并目以地線而不是中心點(diǎn)為參考點(diǎn)，可以不用對(duì)端電壓進(jìn)行低通濾波就得到精確的反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)。 這種方法巧妙的避開了 PWM 斬波帶來(lái)的開關(guān)噪聲，同時(shí)不會(huì)帶來(lái)隨轉(zhuǎn)速變化的移相問(wèn)題，很好解決了電機(jī)在不同運(yùn)轉(zhuǎn)頻率時(shí)反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)問(wèn)題。但這種江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 24 方法只能在 PWM 關(guān)斷時(shí)刻檢測(cè)，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在高速情況下， PWM的占空比可能接近或達(dá)到 100%那么這種方法就失效了，但是一般很少使占空比達(dá)到 95%以上，所以對(duì)于占空比調(diào)節(jié)在 95%以下的電機(jī)，此控制方法很適用。因此，本文采用“直接反電勢(shì)法”來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)了位置。下面就根據(jù)“直接反電勢(shì) 法”理論進(jìn)行無(wú)位置傳感器 BLDCM 仿真建模及分析，為實(shí)際電路設(shè)計(jì)提供借鑒。 針對(duì)“直接反電勢(shì)法”的特點(diǎn)，參考了各種資料后，應(yīng)用 OrCAD 9. 1 的 PSPICE對(duì)其進(jìn)行了仿真分析。 由于位置檢測(cè)電路的輸入信號(hào)很難通過(guò)各種電壓源合成得到，所以必須進(jìn)行主電路設(shè)計(jì)，得到無(wú)刷直流電機(jī)運(yùn)行后的端電壓波形。仿真的主電路如圖 34所示，逆變電路采用三相全控橋，功率元件 IGBT 兩端反并聯(lián)二極，在 PWM 關(guān)斷和換相時(shí)續(xù)流。根據(jù)圖 33，電機(jī)每相繞組可以用反電勢(shì)、電感和電阻串聯(lián)等效代替。觸發(fā)控制采取上橋臂 PWM，下橋臂直通方式，依次以 120176。導(dǎo)通方式換相，高電平 15V，確保 IGBT 充分導(dǎo)通，低電平 5V 確保 IGBT 可靠關(guān)斷，如圖 35所示。這樣就能得到無(wú)刷直流電機(jī)端電壓和相電流的仿真波形，如圖 36所示。 圖 34仿真的主電路模型 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 25 圖 35觸發(fā)脈沖波形 圖 36無(wú)刷直流電機(jī)端電壓和相電流的仿真波形 B 相直接反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)的仿真電路如圖 37 所示。由于求反電勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)的時(shí)候，不必關(guān)心 EMF 幅值，可以通過(guò)二極管把電壓最高值限制在 5V 左右，然后輸入比較器進(jìn)行波形整形，比較器參考 電壓應(yīng)該選取比功率開關(guān)管 IGBT 開通電壓稍高的接近地電平的電壓。同時(shí)由于 B相懸空時(shí)，跟開通一相的上橋臂 PWM波形相比較，可能是 A 相，也可能是 C相，所以需要把 A相跟 C 相上橋臂的 PWM波形通過(guò)加法器相加。由于加法器出來(lái)的電壓偏低，需要經(jīng)過(guò)放大器與仿真庫(kù) !.面的虛擬元器件限幅電路把輸出限制在 1V～ 4V 之間，然后輸出到前跳沿跳變的 D 觸發(fā)器的時(shí)鐘端。最后，在 A相或 C相的 PWM的關(guān)斷區(qū)間，將限幅后的懸空相 B 相端電壓波形與參考電平比較， PWM的導(dǎo)通區(qū)間開始時(shí)，用其上升沿鎖定比較器輸出，從而得到過(guò)零點(diǎn)信號(hào)。 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 26 圖 37 B 相直接反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)的仿真電路 仿真得到的 B 相端電壓跟 B 相位置檢測(cè)電路輸出信號(hào)的波形如圖 28所示，從圖中可見，雖然在反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)，位置檢測(cè)電路輸出信號(hào)均發(fā)生了跳變，但在其中存在著虛假過(guò)零點(diǎn)。 圖 38 B 相端電壓跟 B相位置檢測(cè)電路輸出信號(hào)的波形 放大虛假過(guò)零點(diǎn)位置附近的波形如圖 39 (a)所示，可以看出虛假過(guò)零點(diǎn)發(fā)生在 B相端電壓關(guān)斷續(xù)流的階段。由理論分析可知，在 B相上橋臂關(guān)斷時(shí)刻，電流不可能馬上為零，需通過(guò) B相下橋臂反并聯(lián)二極管續(xù)流一段時(shí)間，電流才降為零。從而把端電壓拉低到近乎 0 伏一段時(shí)間。這段時(shí)間內(nèi)，若出現(xiàn) C 相上橋臂PWM 波形 (即這時(shí)候的 D 相時(shí)鐘端波形 )發(fā)生上跳沿變化，位置檢測(cè)電路輸出跳變?yōu)榈碗娖?，?D 觸發(fā)器輸出就會(huì)跳變?yōu)榈碗娖?。續(xù)流結(jié)束后， PWM 關(guān)斷時(shí)刻的反電勢(shì)信號(hào)大于參考比較電平時(shí)， D觸發(fā)器輸出又跳變回高電平，導(dǎo)致產(chǎn)生虛假過(guò)零點(diǎn)。 從理論上來(lái)說(shuō)，在 B相下橋臂關(guān)斷時(shí)刻，也會(huì)產(chǎn)生虛假過(guò)零點(diǎn)，放大下橋臂關(guān)斷時(shí)刻附近的波形 (即開始出現(xiàn)尖高電平的地方 )，如圖 39（ b)所示。從圖中可以看出，由于下橋臂關(guān)斷通過(guò)上橋臂反并聯(lián)二極管續(xù)流階段，沒(méi)遇到 D觸發(fā)器江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 27 時(shí)鐘端的上升沿，所以在仿真中沒(méi)產(chǎn)生虛 假過(guò)零點(diǎn)。如果續(xù)流階段時(shí)間延長(zhǎng)，實(shí)際中是完全有可能產(chǎn)生虛假過(guò)零點(diǎn)的。 圖 39（ a)上橋臂關(guān)斷續(xù)流階段波形（ b)下橋臂關(guān)斷續(xù)流階段波形 通過(guò)仿真可見，在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中必須充分考慮如何濾除掉續(xù)流階段產(chǎn)生的虛假過(guò)零點(diǎn)，否則將會(huì)導(dǎo)致電機(jī)換相錯(cuò)誤。濾除掉虛假過(guò)零點(diǎn)后，用過(guò)零點(diǎn)信號(hào)控制電機(jī)換相，只要在每個(gè)過(guò)零點(diǎn)信號(hào)延遲 30176。電角度后的時(shí)刻，控制功率竹的開通、關(guān)斷即可。由于直接從端電壓中采樣真實(shí)的反電勢(shì)波形，沒(méi)有高頻開關(guān)干擾，沒(méi)有移相延遲，因此參考比較電壓可以比較低，一般在 之間，這樣就可以在電機(jī)轉(zhuǎn)速 不高的時(shí)候，就可檢測(cè)到反電勢(shì)，用反電勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)信號(hào)控制電機(jī)換相，比傳統(tǒng)“反電勢(shì)法”縮短了起動(dòng)時(shí)間，使電機(jī)能夠更快地切換到自同步狀態(tài)。 本章主要分析比較了傳統(tǒng)“反電勢(shì)法”與“直接反電勢(shì)法”的特點(diǎn)，選擇用“直接反電勢(shì)法”來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置。最后用 Pspice 軟件進(jìn)行建模與仿真，仿真結(jié)果證明這種方法能夠準(zhǔn)確檢測(cè)出反電勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)，即能夠使電機(jī)進(jìn)行可靠的電子換相，但在續(xù)流階段存在虛假過(guò)零點(diǎn)，在實(shí)際設(shè)計(jì)中必須重視，通過(guò)軟硬件加以妥善解決。 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 28 第四章 無(wú)刷直流電機(jī)控制硬件電路設(shè)計(jì) BLDCM 控制器的技術(shù)要求 （ 1）采用單片機(jī)控制， PWM 調(diào)制頻率為 8KHz。 （ 2）電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用速度開環(huán)、電流閉環(huán)控制方式。 （ 3）額定電壓、額定電流如下表 : 表 41 電機(jī)參數(shù) 序號(hào) 額定電壓（ V） 額定電流（ A） 備注 1 24— 48 100 2 2448 80 （ 4）具有電壓保護(hù)設(shè)置、剎車設(shè)置、防堵轉(zhuǎn)、過(guò)電流保護(hù)功能。 （ 5）安全通電功能，即接通電源時(shí)無(wú)論調(diào)節(jié)電位器處于 什么位置均不會(huì)立即起動(dòng)電機(jī)。 （ 6）具有過(guò)電壓保護(hù)功能，即當(dāng)電壓超過(guò)設(shè)定值時(shí)，不起動(dòng)電機(jī)。 （ 7）具有欠壓保護(hù)功能，即當(dāng)電壓 低于 設(shè)定值時(shí)，驅(qū)動(dòng)器停止工作。 （ 8） 驅(qū)動(dòng)器引出線與樣機(jī)一致，用遙控器進(jìn)行調(diào)節(jié)。 MCU 的選擇 控制電路是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)各種調(diào)速伺服功能的指揮中心，它主要完成以下功能 : (l)對(duì)反電勢(shì)過(guò)零信號(hào)、 PWM 調(diào)制信號(hào)和停車信號(hào)進(jìn)行邏輯綜合，以給驅(qū)動(dòng)電路提供各開關(guān)管的斬波信號(hào)和選通信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟停和調(diào)速控制。 (2)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行電流閉環(huán)調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。 (3)實(shí)現(xiàn)過(guò)流、過(guò)壓和欠壓等故障保護(hù)功能等。 在市場(chǎng)上，其它系列的 單片機(jī)的一般規(guī)律是 :低檔型單片機(jī)引腳少，同時(shí)在內(nèi)部集成的存儲(chǔ)器容量也小，功能比較簡(jiǎn)單 。而中高檔型的單片機(jī)則在內(nèi)部集成的存儲(chǔ)器容量較大，功能也多，但引腳數(shù)一般為 40 個(gè)以上。對(duì)于一些不需要單片機(jī)有較多的外圍引腳，同時(shí)系統(tǒng)需要大量運(yùn)算，程序代碼較長(zhǎng)，功能較復(fù)雜的江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 29 應(yīng)用，往往沒(méi)有合適的芯片。 為解決這一矛后， ATME公司在 2021年推出一款新型 AVR高檔單片機(jī) AtmegaB,它的芯片內(nèi)部集成了較大容量的存儲(chǔ)器和豐富強(qiáng)大的硬件接口電路，具有 AVR高檔單片機(jī) MEGA 系列的全部性能和特點(diǎn)，但由于 采用了小引腳封裝 (為 DIP28和 TQFP/MLF32)所以其價(jià)格僅與低檔單片機(jī)相當(dāng)，具有極高的性價(jià)比。 為完成上述功能，控制器核心單片機(jī)選擇這款 Atmega8的 AVR單片機(jī)性如下 : (1)因?yàn)椴捎昧讼冗M(jìn)的 RISC 精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu)，所以具有足夠快的運(yùn)行速度，可達(dá) 1MIPS/MHZ，是普通 CISC 單片機(jī)的 10 倍。 (2)3 個(gè) PWM 通道，可實(shí)現(xiàn)任意小于 16 位的相位和頻率可調(diào) PWM脈寬調(diào)制輸出。 (3)有 18 個(gè)不同的獨(dú)立中斷源，并有特定的中斷允許位，提高了系統(tǒng)的安全性。 (4)片內(nèi)集成了較大容量的非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及工作存儲(chǔ)器， 存儲(chǔ)空間足以滿足系統(tǒng)需要，并為系統(tǒng)的擴(kuò)展提供了必要保證。 (5)23 個(gè)可編程 I/O 口，可任意定義 I/O的輸入 /輸出方向 。驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，可直接驅(qū)動(dòng) LED 等大電流負(fù)載，且多數(shù)的 I/O 口為復(fù)用口，除了作為通用數(shù)字 I/0使用外，其第二功能可作為芯片內(nèi)部其他外圍電路的接口。 (6)具有三個(gè)定時(shí) /計(jì)數(shù)器，除了能夠?qū)崿F(xiàn)通常的定時(shí)和計(jì)數(shù)功能外，還具有捕捉、比較、脈寬調(diào)制輸出及實(shí)時(shí)時(shí)鐘計(jì)數(shù)等更為強(qiáng)大的功能。 (7)帶 ADC 和 DAC轉(zhuǎn)換，可直接輸入模擬量，輸出數(shù)字量。 (8)有看門狗電路，一旦程序進(jìn)入死循環(huán)能自動(dòng)復(fù)位，保證系統(tǒng)工 作的可靠性。 (9)有空閑、省電和掉電三種低功耗方式，很適合低功耗系統(tǒng)的要求。作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心， Atmega8 單片機(jī)具有的功能特點(diǎn)使它非常適合控制無(wú)刷直流電機(jī)。 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 30 功率驅(qū)動(dòng)芯片的選取 驅(qū)動(dòng)芯片采用 IR公司推出的六輸出高壓柵極驅(qū)動(dòng)器 IR2103S。 IR2103S 是一種高電壓高速的功率 MOFET 和 IGBT 驅(qū)動(dòng)器，其引腳分布如圖 41 所示 : 圖 41IR2103S 它有兩 個(gè)獨(dú)立的高端（ HO） 和低端 (LO)輸出通道，其邏輯輸入電平與 CMOS或 TTL 輸出電平兼容，輸出的懸浮通道可用來(lái)驅(qū)動(dòng)高速連接的最大 600V 的 N溝道功率 MOSFET 或 IGBT 。 IR2103S 主要特點(diǎn)有 : (1)懸浮通道具有自舉電路，工作電壓可達(dá) 600V，抗 du/dt 干擾 。 (2)驅(qū)動(dòng)電壓為 10～ 20V (3)低壓鎖定功能 (4)5V 施密特觸發(fā)邏輯 (5)禁止直通邏輯 (6)兩個(gè)傳輸通道延時(shí)相同 (7)內(nèi)部設(shè)有死區(qū) IR2103S 的時(shí)序圖如圖（ 42）所示 : 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 31 圖 42IR2103S時(shí)序 對(duì)應(yīng)真值表如表格（ 42） 所示 : 表 42對(duì)應(yīng)真值 HIN LIN HO LO 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 功率管的選擇 場(chǎng)效應(yīng)晶體管 MOSFET(Metal Oxide Field Effect Transistor)，是一種單極型的電壓控制器件，在結(jié)構(gòu)上保留了 GTR 垂直導(dǎo)電的長(zhǎng)處。由垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)組成的場(chǎng)控晶體管稱為 VMOFET（ VerticalMOSFET）又稱功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管PMOSFET。采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)后，源極與漏極間寄生了一個(gè)體內(nèi)二極管，如圖所示。圖中，源極跨在兩個(gè)半導(dǎo)體區(qū)上， N型管箭頭向左，表示載流子電子從源極出發(fā) 。P 型管箭頭向右，表示載流子空穴從源極出發(fā)。它們都是利用多數(shù)載流子導(dǎo)電，不存在雙極性導(dǎo)電表現(xiàn)出來(lái)的存儲(chǔ)時(shí)間，因此，動(dòng)作快，頻率高。 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 32 圖 43 N型管 p型管 另外， MOSFET 通態(tài)導(dǎo)電時(shí)的等效電阻具有正溫度系數(shù)，電流具有負(fù)溫度系數(shù)，即溫度升高時(shí)的等效電阻加大，電流減小。因此結(jié)溫升高后，其等效電阻變大，電流減小，不易產(chǎn)生內(nèi)部局部熱點(diǎn)，這一特點(diǎn)使得多個(gè)器件并聯(lián)工作時(shí)能自動(dòng)調(diào)節(jié)均分負(fù)載電流。 在選取器件時(shí)，電路設(shè)計(jì)人員必須首先限定功率管在電路中的工作條件， 如 :電源電壓、工作電流、工作頻率、驅(qū)動(dòng)電路、工作環(huán)境等。 在 PWM 功率變換電路中，功率 MOSFET 的 BVDs是允許電壓范圍的極限。設(shè)功率電路電源電壓為 Vcc，考慮到 VDs 的電壓尖峰，工程中一般取安全系數(shù)為 3，則功率管額定電壓應(yīng)大于 3Vcc。功率 MOSFET 電壓額定值選的余量較大，可