议持电棚 ２０１３年第４ｌ卷第１２期 …一……………………一…………………………………………………………………一…ｃ， — ／ 驱动 — …… 无刷直流电动机的电压过零检测实现方法比较 丁铭，任雁鹏，梁利平 （中国科学院微电子研究所，北京１０００２９） 摘要：电压过零点检测法是无刷直流电动机无位置传感器时电压过零点检测的一种方法，其主要是利用反 电动势的过零点来确定换相。对于利用ＰＷＭ下降沿采样的算法而言，速度上限和带载能力都受到ＰＷＭ载波频率 ，因此利用多少个ＰＷＭ采样点来确定过零点决定着无刷直流电动机的最高转速和最大带载量。通过分析比 较利用三、四个ＰＷＭ采样点来确定过零点，得出了利用三点确定过零点检测的方法，可以在保证电机稳定运行的 同时，实现更宽范围的调速和更大的带载能力。 关键词：电压检测法；无刷直流电动机；脉冲宽度调制；现场可编程门阵列 中图分类号：ＴＭ３３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４—７０１８（２０１３）１２—００５１－０２ Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ Ｚｅｒｏ Ｐｏｉｎｔ ｏｆ ＢＥＭＦ ｏｆ ＢＬＤＣＭ ＤＩＮＧ ，ＲＥＮ Ｙａｎ－ｐｅｎｇ，ＬＩＡＮＧ Ｌｉ－ｐｉｎｇ （Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００２９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｚｅｒｏ ｐｏｉｎｔ ｏｆ ＢＥＭＦ（ｂａｃｋ ｅｌｅｃｔｒｏｍｏｔｉｖｅ ｆｏｒｃｅ）ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｙｓ ｏｆ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｒｏｔｏｒ＇ｓ ｐｏｓｉ－ ｔｉｏｎ ｏｆ ＢＬＤＣＭ（Ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ＤＣ ｍｏｔｏｒ）．Ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔａｋｉｎｇ ｌｏａｄｓ ｗｅｒｅ ｒｅｓｔｒａｉｎｅｄ ｗｈｅｎ ｓａｍｐｌｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｆａｌｌｉｎｇ ｅｄｇｅ ｏｆ ＰＷＭ，ＳＯ ｔｈｅ ｍａｘｉｍａｌ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｌｏａｄｓ ｗｅｒｅ ｄｅｃｉｄｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｑｕａｎｔｉｔｙ ｏｆ ＰＷＭ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｐｏｉｎｔｓ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｔｈｒｅｅ ｏｒ ｆｏｕｒ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｐｏｉｎｔｓ ｔｏ ｄｅｃｉｄｅ ｔｈｅ ｚｅｒｏ ｐｏｉｎｔ，ｉｔ ｉｓ ｓｈｏｗｎ ｔｈａｔ ａｔ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔａｂｌｅ ｒｕｎｎｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ，ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｐｏｉｎｔｓ ｔｏ ｄｅｃｉｄｅ ｔｈｅ ｚｅｒｏ ｐｏｉｎｔ ｃａｎ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔａｋｉｎｇ ｌｏａｄｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂａｃｋ ｅｌｅｃｔｒｏｍｏｔｉｖｅ ｆｏｒｃｅ（ＢＥＭＦ）；ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ＤＣ ｍｏｔｏｒ（ＢＬＤＣＭ）；ＦＰＧＡ；ＰＷＭ ０引 言 传统的无刷直流电动机一般都带有位置传感 器，其会带来诸多不利因素，如减短电机寿命、增大 电机体积、增加电机成本，无法应用于某些特殊环境 等，因此无位置检测方法倍受关注。目前比较常见 的检测方法有：电压过零检测法、电流检测法、三次 谐波检测法等 Ｊ。本文采用电压过零检测法实现， 端电压与反电动势的对应关系，由端电压推算出反 电动势。假定ｂ相关断且没有续流，则有： ２ｅ６＝Ｕｂ 一 ６ （１） 丁 式中：ｅ 表示ｂ相反电动势；Ｕｂ 表示ｂ、Ｃ相端电压之 差；Ｕａ 表示０、ｂ相端电压之差 Ｊ。这样可以利用采 样端电压信号进行反电动势过零检测，而实际上关 铭 ， 断相相电压斜坡是由反电动势引起的。具体过零点 确定必须通过采样关断相端电压，通过式（１）计算 等 无刷直并对其具体的实现方法进行性能比较。 １电压检测法的原理及实现 电压检测即反电动势过零点检测法，其主要原 理是在检测到过零点后延时３Ｏ。，即１／１２电周期后 换相。图１为理想反电动势波形及过零检测方法。 ／／＿＿＿＼厂一 换向时间 来确定过零点，由于ＰＷＭ高频信号的干扰，导致相 电压波形随ＰＷＭ波动，如图２所示，由文献［３］可 知，利用ＰＷＭ下降沿采样的方法可以有效避免 ＰＷＭ高频信号引入的干扰，从图中可看到，ＰＷＭ下 降沿采样得到的数据都是相电压斜坡上的正确数 据，如图２上的虚线小圈所示。 ／ 图１势过零点检测 由于现实中反电动势不易检测，可依据关断相 图２ ＰＷＭ下降沿采样关断相电压 收稿日期：２０１３—０３—１５ 但此种采样方法会使得电机的最高转速受到 ＰＷＭ载波频率。因此用多少个ＰＷＭ采样点 ５１ ，， 厂驱动控制 …－ ： 够 仇 铭 …………………………………… 双持电相 ２０１３年第４１卷第１２期 来确定过零点决定着电机运行的最高转速。 ２过零检测算法实现 在理想的环境下，我们只要对相电压波形采样 大于零和小于零这两个紧挨着的点即可，如图３所 示，采样到Ｂ、ｃ两个点即可判断过零点在 、Ｃ两点 之间，然而由于实际的干扰存在，这样利用两个点的 方法确定过零点易受干扰，运行不稳定。为了提高 稳定性，需要增加检测点数，一般采用４个ＰＷＭ采 样点来确定过零点，其检测方法是判断关断相端电 压为上升沿或下降沿。以上升沿为例，需首先确定 两个小于零的点Ａ和曰，随后检测到连续两个大于 等于零的点Ｃ和Ｄ， 则可认定Ｃ点为过 零点，然后确定换相 时间，其中 、 、Ｃ、Ｄ 四个点必须是连续 图３过零点检测实现算法 的。 ｉ 然而这样的算法在低速时会出现过零点检测失 败。当速度较低时，相电压的斜坡斜率较低，过零点 ｉ附近可能出现误检测，导致过零检测失败。如图４ ｉ所示，比如一种可能情况，假如对于上升的相电压而 ｉ言，已采样得到Ａ、Ｂ两个小于零的点，且又采到其 ｉ后大于零的一个点Ｃ，只要下一个点采样得到大于 零的点即可得出过零点位置。然而由于斜坡斜率较 低，在零点附近很可能出现误检测，采样得到的不是 ｉ大于零的Ｄ而是小于零的Ｄ ，此时就必须重新寻找 ；判断过零点的前两个点，也就是此例中两个连续小 。ｊ于零的点，虽然误检测点Ｄ 可作为第一个小于零得 点，然而对于上升的斜坡而言，采样得到的数据趋势 可ｉ必然是增大的，很有可能随后采样得到的数据都大 蚕 于零，而无法找到连续小于零的两个点，导致过零检 直ｉ测失败。因此实验中四点ＰＷＭ采样点确定过零点 笔； 的方法在１００ Ｈｚ（对于 ／—一 ｉ极对数是３的电机而言， 压ｉ就可能出现过零检测失 鏊 速度是２ ０００ ｒ／ｍｉｎ）时 籍ｉ采样判断类似。鎏 败。对于下降的相电压 图４过零点附近的误检测 ； 为了解决这个问题，我们采用三点ＰＷＭ采样 方ｉ确定过零点的方法，也就是省去了图３中Ａ点检测， 篦；即：对于上升的相电压而言，首先找到一个小于零的 牧 点，并随后紧接着找到两个连续大于零的点。采用 三点ＰＷＭ采样法确定过零的检测方法即使在过零 ！点附近出现误检测，也能确定过零点，只是可能相位 ５２ 有一定偏移，但是系统依然能稳定运行。如图５所 示，对于上升的斜坡采样而言，不论过零点附近出现 多少误检测，假如对于上升的斜坡采样得到的某个 采样点是最后一个小于零的点（不管是不是误检 测），那么根据此后检测到的点都是大于等于零的 点，满足了三点确定过零点要求，过零检测成功。只 要说明这个点不会偏离过零点太远，电机就能稳定 运行，一方面因为误检测本身发生在过零点附近，另 一方面因为对于上升的相电压而言，采样得到的数 据是不断增大的，距离零点后较远的数据肯定是大 于零的，因此此点必然在过零点附近。对于下降沿 采样情况判断类似。 点 点 图５误检测后三点ＰＷＭ采样点依然正确确定过零点原因 ３ ＰＷＭ采样点数对速度上限影响 ３．１最高理论转速比较分析 电机运行的转速与电频率的对应关系： ｎ：６０ （２） Ｐ ＝ （３） 式中：ｎ表示电机运行速度，Ｐ表示电机极对数，．厂表 示速度频率， 表示ＰＷＭ载波频率，ｍ表示每个 关段相所需ＰＷＭ点数。由于每次换相后第一个 ＰＷＭ采样会由于续流作用引人错误采样，因此对于 三点ＰＷＭ确定过零点的方法多加入一点来确定过 零点，即三点ＰＷＭ确定过零点时／７／，最小值为４，而 四点确定过零点时ｍ最小值为５。由式（２）、式（３） 可知，在１６ ｋＨｚ（这时由于本实验采用逆变器最大 承受频率为２０ ｋＨｚ）的ＰＷＭ载波频率，电机极对数 为３的条件下，电机的最大理论转速为１３ ３３３ ｒ／ ｍｉｎ，四点ＰＷＭ确定过零点的方法最大理论转速为 １０ ６６６ ｒ／ｍｉｎ，从理论上讲，用来确定过零点所需的 ＰＷＭ采样点越少，电机所能达到的最高转速越高。 ３．２带载能力分析 在较高速时，本来ＰＷＭ所能采样关断相相电 压的点数就少，以本实验为例，电机极对数为３， ＰＷＭ频率采用１６ ｋＨｚ，由式（２）、式（３）可知，在速 度８ ０００ ｒ／ｍｉｎ时对应每个关断相所能采用的点数 为ｍ＝６．６６，也就是６个到７个之问。此时如果负 载不断加大，导致续流时间增大，也就是图６采用 ＰＷＭ—ＯＮ—ＰＷＭ调制方式在加载后的波形。 （下转第５６页） 驱动 制 ：……ｃ， ／ 锣 ｚ 磷 …一…………………………………………一…………议持电棚 ２０１３年第４１卷第１２期 ………………………………………… 作可靠等优点，在便携式防空导弹、小型无人机、反 坦克导弹等小型飞行器中具有良好的应用价值。 参考文献 ［１］ 汪军林，解付强，刘玉浩．导弹电动舵机的研究现状及发展趋 势［Ｊ］．飞航导弹，２００８（３）：４２—４６． ［２］赵慧，张婷婷．一种基于ＦＰＧＡ的舵机伺服系统设计［Ｊ］．机床 刘健 等 一图７ ＤＲＶ８４１２工作红外温度 与液压，２０１０，３８（６）：５９—６１． ［３］孙伟，黄大庆．基于ＦＰＧＡ的多通道ＰＷＭ控制器设计［Ｊ］．苏 州科技大学学报（工程技术版），２００９，２２（４）：７２—７６． ５结 语 本文设计了一种基于集成功率驱动芯片 ＤＲＶ８４１２和ＦＰＧＡ的微型多路电动舵机数字式控 制驱动器。系统在５８ ｍｍｘ８５ ｍｍｘ２０ ｍｍ的体积内 通过单板集成了四路舵机的控制和驱动，并设计有模 ［４］ 李树昌，周学仕，赵永刚．基于ＦＰＧＡ的跟踪伺服器在光电经 纬仪中的应用［Ｊ］．计算机测量与控制，２０１０，１８（９）：２１７０— ２１７５． ［５］ 高培金，穆桂脂，陈元勇．基于Ｖｅｒｉｌｏｇ ＨＤＬ的ＡＤ７６８５采样控 制器的设计［Ｊ］．自动化技术及应用，２０１１，３０（０１）：８９—９２． ［６］ 陈俊硕，刘景林，张金萍．基于ＦＰＧＡ的直流电机ＰＷＭ控制器 设计［Ｊ］．微电机，２００９，４２（１０）：２３—２５． ［７］ 杨伟临．基于ＡＶＲ和ＦＰＧＡ的ＳＯＣ—ＦＰＳＬＩＣ的无人机下级控 制系统［Ｄ］．杭州：浙江大学，２００７． 拟控制信号和数字控制信号（ＲＳ４２２）两种输入接口，每 通道额定输出功率达８４ Ｗ，达到了预期设计目的。 本舵机控制驱动系统具有体积小、集成度高、工 （上接第５２页） 中ＰＷＭ频率都为１６ ｋＨｚ，电机极对数为３，电机的 额定转速是７ ７００ ｒ／ｍｉｎ，超过额定转速时利用相位 相电■ 嗡 ‘ ‘超前提前换相来提速 。 ㈣ Ｉ 相电压 １ ．流导致下降 燹成恒最低电压 图６ 电流过大导致相电压波形畸变 恒高压或恒低压区时间变长，那么势必导致用 来确定过零点的前面几个点的检测会越来越困难， 如对于上升的相电压而言，要检测过零点前小于零 的点会越来越困难。此时对于采用三个ＰＷＭ点和 对于采用四个ＰＷＭ点采样确定过零点的加载量会 图７ ＦＰＧＡ电机控制实现控制框图 ５结语 对于电压检测法的实现方法而言，在保证稳定 运行的前提下，三点检测法无论在低速和高速，以及 有明显的提高，如表１所示。 表１检测点与转速和带载对应关系 空载最低转速／ 空载最高转３／ ８ ０００ ｒ／ｍｉｎ时最大 （ｒ·ｍｉｎ ） （ｒ－ｒａｉｎ ） 带载能力／（Ｎ·ｍ） 三点检测 四点检测 ８４ ２ ０００ １２ ０００ ９ ５００ ２．７ １．２ 同等速度下的带载能力都优于四点ＰＷＭ确定过零 点法，尤其是在低速时有效避免了过零点误检测带 来的过零点检测失败的问题，另外在较高速时的带 载能力也有很大的提高。 参考文献 ［１］ 夏长亮．无刷直流电机控制系统［Ｍ］．北京：科学出版社， ２００９． 因此由理论分析可知，在保证系统稳定运行的 前提下，三点ＰＷＭ采样确定过零点具有很大优势。 ４实验结果 本实验中利用Ａｌｔｅｒａ公司的ＦＰＧＡ芯片 ＥＰ１Ｃ３Ｔ１００Ｃ８实现，硬件框图如图６所示。 ［２］李自成，秦忆，陈善美．无刷直流电机无位置传感器控制关键 技术研究［Ｄ］．武汉：华中科技大学，２０１０． ［３］ 王永，林明耀．“势法”无刷直流电机控制系统研究［Ｄ］． 南京：东南大学，２００４． 实验得出三点和四点ＰＷＭ采样确定过零点方 法的带载能力，最高最低转速如表１所示。 ｉ由表１可知，三点ＰＷＭ采样确定过零点无论 ［４］ ＢｉｎｈＭｉｎｈ Ｎ，Ｍｉｎｈ Ｃ Ｔ．Ｐｈａｓｅ ａｄｖａｎｃｅ ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ ｅｘｐａｎｄ ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ＤＣ ｍｏｔｏｒ［Ｃ］／／７ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒ－ ｅｎｅｅ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｄｒｉｖｅ Ｓｙｓｔｅｍｓ。２００７：１２５５—１２６２． ５６ ｉ是低速、高速、带载能力都优于四点ＰＷＭ采样。其 作者简介：丁铭（１９８２一），男，硕士，研究方向为永磁同步电机控制。
