基于cpld的反电势过零检测电路设计与应用

胡  龚，刘卫国，韩英桃，王燕娜

  (西北工业大学，陕西西安7l0072)

摘要：设计医疗牙钻用无位置传感器无刷直流电动机反电势过零点检测的硬件电路。详细分析反电势经过滤波后所产生的相移，并提出一种基于cpld的软件补偿方法。通过实验，证明该电路检测到的反电势过零点信号有效、可靠，并且相移补偿方法正确、可行。

    关键词：反电势；无刷直流电动机；无位置传感器；cpld

    中图分类号：tm33  文献标识码：a  文章编号：1004—7018(2010)04—0052—04

0引  言

    医疗牙钻的使用环境对电机有以下要求：卫生要求高，需经常进行消毒处理；空气中酒精浓度比较高，不应产生换向火化；周围其它电子设备较多，电磁噪声小；器械体积小、手握性好，并且发热小等。无刷直流电动机没有换向火花，电磁噪声较小，并且还有体积小、重量轻、维护方便以及高效节能等一系列优点，可以满足牙钻电机的各方面要求。而无刷直流电动机的无位置传感器控制，无需安装传感器，相对于有位置传感器的方法有较大的优势，更适合牙钻电机。

    本文针对无位置传感器无刷直流电动机的转子位置检测这一关键技术展开研究，设计反电动势过零点检测的硬件电路。采用cpld作为电机的主控芯片，该芯片集电机驱动、调速、转子位置检测信号相位补偿等作用于一身，详细分析反电势经过滤波后所产生的相移，并提出一种有效的基于cpld的软件补偿方法。最后通过样机实验，完成硬件电路的调试与软件补偿方法的确定。

1反电势过零点检测原理

    反电势过零点检测法技术成熟，实现简单，应用广泛。反电势波形如图1所示[4]。对于未导通相，设vnon为端电压，enon为反电势，由电机绕组三相端电压得反电势过零

瞬间中点电压和反电势公式^[2]：

由式(2)可知，只要测出三相端电压，然后由程序计算末导通相端电压knon与反电势过零瞬间中点电压k的差值即可得到未导通相的反电势值，当该差值为零时即表明检测到反电势过零点。

    从反电势波形可以看出，在未导通相反电势过零瞬间，被导通两相绕组的反电势大小相等方向相反，自过零点起延时30qc电角度即可得到换向点^[4]。这就是反电动势法检测无刷直流电动机转子位置的基本原理。

2反电势过零点检测电路设计

    本系统牙钻电机本体已经将中线引出，不需要再通过计算模拟中线电压，所以利用反电势检测电路便可以直接获得反电势信号。电机本体为1对极，调速范围是3 000～35 000 r／min，因此反电势的频率范围就是，f∈(50，600)hz。反电势检测电路系统如图2所示。电机的三相反电势从端电压引出后经过分压、二阶有源低通滤波器、过零比较器后获得检测波形，再经过光耦隔离，最后送到控制芯片cpld进行相位补偿。

    过零检测电路的具体设计方法如下：①低通滤波器的设计。由于电机调速常采用pwm方式，反电势信号中往往含有高频调制信号，会影响电压比较器的正常工作，因此需要采用滤波器对端电压信号进行滤波。因为反电势频率在50～600 hz，在此低频范围有源滤波器即纹波滤波器的滤波效果较好。所以本电路低通滤波部分采用二阶有源低通滤波器。②滤波电路中电阻、电容数值的选取。要保证系统稳定运行，滤波器的输出不仅要求准确，不能漏掉过零点，也不能增加过零点，而且其相移要小于30℃。对检测电路中a、b两点使用基尔霍夫电压定理，就可以得到低通滤波器的传递函数，经过计算则可得到滤波器的幅频响应表达式和相频响应表达式。所以电阻、电容的取值就直接影响到检测电路的使用效果，包括反电势相移角的大小。综合考虑本系统后，取反电势****频率f=6 000 hz、通带增益k=1、阻尼系数ξ=o.624 7、转折频率ωn=7ωc。经计算，相移控制在30。以内。③过零检测电路的设计。有源放大器和电压比较器分别选用都是具有四路输入、输出的lml224和lm339。经过滤波器的反电势信号进入放大器，从输出端再进入电压比较器与电机中线电压比较后输出的信号就是反电势过零检测信号。⑧最后，反电势过零检测信号经过光电耦