直流无刷电机的换相过零检测*

徐 丹，李庆东，蒋 猛，李 博，孔维蓉，徐 波

(西南大学工程技术学院，重庆 400715)

0 引言

永磁直流无刷电机具有结构简单、性能可靠、高效节能等优点，目前已经广泛应用到工业、民用等领域。在直流无刷电机控制系统中，确定转子的位置从而确定换相时刻是控制的关键，以此决定每一时刻相绕组的通电状态。但是，安装位置传感器增加了系统成本，使整个系统更复杂且抗干扰能力变差。所以，采用无位置传感器的控制技术已成为直流无刷电机控制技术的一个发展方向。目前，对无位置传感器直流无刷电机的研究主要有反电动势过零检测法、续流二极管导通检测法、磁链法等方法。其中，通过测量断开相绕组端电压和电机中性点电压之间的关系，间接获得反电动势过零点的检测应用最广泛。该方法是一种直接有效的可获得准确换相时刻的方法。以上方法为过零检测提供了理论基础，而在实际应用中，利用软件准确判断和识别过零信号是保障直流无刷电机正常运行的关键。目前，对于过零信号检测软件识别方法的研究和分析，可提供参考的文献较少。本文深入分析和研究一种应用反电动势过零检测法，基于运算放大器并配合软件获得换相时刻的电路，其优点在于结构简单，可通过两种软件识别方法准确检测出过零时刻，给控制器提供准确的换相信息，提高了直流无刷电机的稳定性。

1 直流无刷电机原理

对于三相绕组的直流无刷电机来说，要让电机转动起来，一般采用6个状态方式导通。电路驱动图如图1所示。使电流按照一定的顺序流经电机三相绕组产生旋转磁场，旋转磁场与转子的永磁铁相互作用，使电机按照一定方向循环转动。电机运转一个周期具有6个状态，需要检测转子的6个特殊位置进而进行6次换相。为了使直流无刷电机在单位电流内输出的有效转矩最大，每次换相都为一个确定的时刻，即绕组断电后反电动势为零时刻延后30°电角度的时刻。

图1 直流无刷电机电路驱动图

图1 中，VD1～VD6为6个场效应管，电机采用星形连接方式。根据6个确定的换相时刻，控制器不断开闭相应的功率管，使电机连续依同一个方向继续转动。电路下方的3个场效应管分别用PWM控制，以此达到控制电机转速、转矩等的要求。

2 反电动势过零检测原理及方法

图1中，设场效应管VT3和VT2同时导通，其他4个场效应管处于关闭状态，此时直流无刷电机的三相绕组中，B相接+UCC，C相接地，A相处于断电状态，该状态的等效电路如图2所示。此时，N点为BC两相绕组的电压中点。随着永磁转子的旋转通过A相绕组的磁通Φ会随之改变，使得该状态中A相的反电动势会正负交变，其中只存在一个时刻A相中反电动势为零，即为所要检测的反电动势过零点，如图3所示。

图2中，反电动势和各点的电位计算值分别如式(1)～式(3)所示。当Ea正负交变时，A点电位UA会在上下发生变化，当反电动势Ea过零时则UA=UN，如式(4)所示。因此，若运用一个比较电路来比较UA和UN的大小，即可准确找出过零点。当检测出反电动势的过零时刻后再延后30°电角度即为控制器运行需要确定的换相时刻。

图2 BC相通电时刻的等效电路

图3 反电动势过零时刻

式中:n——电枢转速;

KE——与电机结构有关的常数;

φ——磁极的磁通。

本文提出的基于运放的反电动势过零检测电路如图4所示。ABC为电机三相绕组的首端。图中比较器的原理:当同相输入端电压高于反相输入端的电压时，电压比较器输出的信号为高电平;当同相输入端电压低于反相输入端电压时，电压比较器输出信号为低电平。检测A相过零的等效电路如图5所示。结合图2可知，图5中运放的同相输入端构造出BC两相的电压中点，与反相端输入的A相电压进行比较，在过零这一特殊时刻，取 R6、R7、R9三个阻值相等，再通过已知的BC两相电动势用节点电压法可计算出5个电阻的关系，如式(5)～式(7)所示(仅适用于过零时刻)。

为了满足运放对共模信号的要求，同相端和反向端的输入电压为比较器电源电压的一半。

图4 反电动势过零检测电路

图5 检测A相过零的等效电路

3 试验分析

本文提出的永磁直流无刷电机反电动势过零检测电路主要以单片机PIC18F23K20和芯片IRS2136全桥方式控制PWM构成的直流无刷电机控制系统。试验中采用一台9对磁极的直流无刷电机，运放采用芯片TLC2254，试验中以A相绕组反电动势过零点的检测为例。

实测的ABC三相与A相过零信号输出图如图6所示。从图6中可以看到，控制器运行的多个周期内，A相运放的输出信号有多个相应的反电动势过零时刻，运放输出信号可准确变换高低电平，发出过零时刻的信号。图7为图6其中一个过零时刻的细节图，该图中清楚显示了A相运放输出信号在过零时刻的前端有多个不规整的三角脉冲，且脉冲的上升沿和下降沿都有延迟。图8为理想与实际A相运放输出信号对比图，该图中三角脉冲的产生是由于阻容耦合及运放本身所导致的输出信号延迟。

图6 ABC三相与A相过零信号输出图

图7 信号细节图

图8 理想与实际运放输出信号对比图

由输出信号分析可知，软件判断过零时刻不能直接使用中断方式和查询方式检测，输出信号在过零时刻高低电平转换之前存在很多不规整三角脉冲。这些干扰信号会导致控制器接收错误的过零时刻信号，致使其发出错误的换相信息。因此，控制器采用中断方式检测过零点时，必须在过零检测电路后增加一个比较电路，如图9所示。图9中，二级比较器的反相端采用两个电阻分压，反相端参考电压为Uf。当一级比较器输出信号电压低于参考电压Uf时，二级运放输出信号电平维持前一状态，直到输出信号电压高于Uf时，即为输出信号过零的高低电平转换时刻。

图9 中断方式下标准输出信号电路图

以此二级运放可以滤掉不规整的三角脉冲，形成标准的矩形脉冲过零信号;如果CPU采用查询方式检测过零点，使用原始电路图5即可，但要选择在PWM周期中低电平期间查询过零信号，这样可以避开检测信号中不规整的三角脉冲，同时由于阻容耦合和运放带来的信号延迟，查询要在PWM低电平初始进行小段延时后进行查询，当查询到输出信号高低电平发生转换的瞬间，即为所要检测的A相过零时刻。相比中断方式，查询方式电路的整体结构相对简单，但是不断查询会占用CPU大量的时间。

4 结语

本文通过对提出的反电动势过零检测电路的各部分信号的实时监测与深入分析，进一步提出了配合该电路的软件识别过零信号的方法。当控制器采用中断方式检测过零点，则必须在过零检测电路后增加一个比较电路，过滤不规整的三角脉冲，以形成标准的矩形脉冲;如果CPU采用查询方式检测过零点，则应在PWM的低电平期间进行查询，并在低电平初始阶段有小段延时，否则会出现错误的结果。试验论证了通过以上两种软件控制方式可准确获得永磁直流无刷电机过零时刻的信号，论证了本文提出的电路具有可行性。

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