摘要：为了实现PWM-ON-PWM调制方式控制的无位置传感器无刷直流电机转子位置信号的检测，在分析了该种调制方式控制的功率逆变器为桥式结构无刷直流电机端电压的基础上，提出一种通过检测线电压差的过零点，移相30 度电角度获得换相信号的方法，并以此得到了相应的检测电路。通过应用该检测电路搭建无刷直流电机控制系统的仿真和实验结果表明：提出的方法在宽速度范围内，特别是低速时都能准确地检测到转子的位置，从而验证了该方法的有效性。

关键词：无刷直流电机；换相信号；PWM-ON—PWM调制；反电势过零点；检测

中国分类号：TM36 +1    文献标志码：A    文章编号：1001-6848(2010)07-0088-04

    到目前为止，对于功率逆变器为桥式结构的无刷直流电机而言，无刷直流电机实现调速的PWM调制方式主要有半桥调制、全桥调制和PWM-ON-PWM调制三种。半桥调制控制简单，但存在断开相导通产生负向转矩的现象。全桥调制尽管断开相不会产生续流现象，但开关管的开关次数远远高于半桥调制开关管的开关次数，损耗较大。PWM-ON-PWM调制又称为30度调制，是近年来提出的无刷直流电机的****PWM调制方式，它能同时解决半桥调制断开相导通的问题与全桥调制开关损耗大的问题[4-5]。

  无论采用何种调制方式，无刷直流电机的运行都必须依靠正确的换相信号控制绕组的电流与反电势保持同步。传统获取换相信号的方法是采用位置传感器直接测量，但位置传感器增大了电机体积及生产工艺难度，不能适应高温、高湿、污浊空气等恶劣的工作环境。因此，无刷直流电机的无位置传感器控制成了研究的热点，目前研究****泛的是通过检测绕组反电势过零点，延迟30度电角度得到换相信号，但由于绕组反电势无法直接检测，国内外许多学者提出了许多通过端电压直接或间接检测反电势过零点的方法[6-10]。本文在分析PWM-ON-PWM调制方式一个换相区间端电压的基础上，提出一种通过检测线电压差的过零点来检测PWM-ON-PWM调制方式控制的无刷直流电机换相信号的方法，仿真波形和实验结果表明：该方法可以在很宽的速度范围内特别是较低速度下能准确检测到反电势过零点。

   具有理想梯形波反电势、方波电枢电流、三相绕组星形连接的无刷直流电机等效主电路如图1所示，图中Sl、S3、s5为半桥逆变器的上管，S2、S4、S6为半桥逆变器的下管。

   

    三相绕组反电势、电枢电流和逆变器六个开关管PWM-ON-PWM调制方式的驱动信号波形如图2所示。

    从图2中可以看出，每个60度换相区间，前30度和后30度逆变器的开关管处于上管PWM、下管恒通或上管恒通、下管PWM两种状态。下面以O~60度换相区间进行分析，在此区间内，A相和B相绕组通电，C相绕组断开。为了分析的方便，假设：每一个开关管的导通压降相等，记为VT；每一个续流二极管的正向压降相等，记为Vd。

 

    (1)0度—30度，上管PWM、下管恒通

    当Sl导通、S4导通时，等效电路如图3(a)所示，有

   

    由此可得

 

    由式(4)~式(6)得

 

 

    当Sl关断、S4导通时，等效电路如图3(b)所示，有

   

    由(10)，(11),(12)得：

 

    由(13)，(14)，(15)得：

    (2)30度—60度，上管恒通、下管PWM

   当S1导通，s4关闭时，等效电路图如3（c）所示，有：

    由(19),(20),(21)得：

 

   由(22),(23),(24)得：

    从以上分析可以发现，在O~ 60度换相区间内，无论上管和下管处于PWM调制或恒通状态，线电压差Vhcca始终等于C相反电势ec的2倍，此时A微电机相和B相导通、C相断开，而且表达式中不含开关管导通压降、续流二极管压降和PWM开关调制波。由此类推，当B相和C相导通、A相断开阶段，线电压差始终等于A相反电势ec的2倍；当A相和c相导通、B相断开阶段，线电压差始终等于B相反电势ec的2倍。图4给出了利用Matlab7. 0仿真的线电压差和反电势波形，从图中可以看出，在该相导通阶段，相应线电压差包含大量的PWM调制波，而在该相断开阶段，相应的线电压差则是与该相反电势斜率相反的平滑直线，且反电势ea、eb、ec的过零点分别和线电压差Vcaab、Vabbc、Vbcca的过零点完全吻合。因此，通过检测线电压差的过零点，延时30度电角度就可以得到该相绕组的换相信号，而且由于线电压差是一个放大的反电势，从而可以在更低的速度下检测到反电势过零点。

    根据以上原理设计的线电压差过零点检测电路如图5所示，其工作过程为：三相端电压Va、Vb、Vc经过电阻分压后送到两级运放进行运算，得到三路线电压差。从图5可似发现由于线电压差只有在该相不导通之间波形是平滑的，而在导通之间含有许多PWM调制波，因此比较器只能在该相不导通期间工作，否则会产生许多假的过零点，本文使用模拟开关CD4051对三相检测电路进行选择，即每60度内只将断开相绕组过零点检测电路的输出送到后级触发器74LS74中，CD4051的相选择信号Ps由控制芯片DSP的I/O口提供，此外相选择信号还作为D触发器的时钟信号，从而达到通过D触发器对过零点检测信号进行锁存的目的。D触发器输出过零点信号z0送到DSP经过30度电角度软件延迟后，即得到该相绕组的换相信号，换相信号经过与PWM逻辑组合后即得到控制逆变器六个开关管的驱动信号。

   

    为了验证本文提出的换相信号检测方法的正确性，根据图5的检测电路构建的无刷直流电机试验系统原理框图如图6所示。

   

    图中，控制芯片采用TMS320F2407DSP，电机参数为：功率500 W、2对极、额定转速1500 r／min，逆变器的PWM-ON-PWM调制频率为5 kHz。不同转速下测量的线电压差，线电压差过零点Zo、相电流ia和逆变器开关营驱动信号Sl的实验波形如图7所示。

    从图7中可以看出，在百分之5的额定转速到额定转速的范围内Zo的跳变时刻都正好对应着线电压差的过零点，延迟30度电角度得到的开关管驱动信号跳变

    PWM-ON-PWM调制方式控制的无刷直流电机换相信号检测时刻与无刷直流电机换相时刻完全吻合，绕组电流的平顶阶段与线电压差含PWM调制波的区间相一致。因此，通过使用本文提出的换相信号检测方法可以准确地检测到PWM-ON-PWM调制方式无刷直流电机的绕组换相信号，从而构成PWM-ON-PWM调制方式的无位置传感器控制系统。

    

  本文提出了一种通过检测线电压差的过零点来检测PWM-ON-PWM调制方式控制的无刷直流电机换相信号的方法，理论分析、仿真波形、实验结果表明，提出的方法：

    (1)、无需重构电机中性点，简化了换相信号检测电路；

    (2)、不受PWM调制的影响，无需对检测信号进行滤波，消除了滤波电路在所有转速带来的相移，拓宽了高速应用的范围；

    (3)、不受开关管和续流二极管导通压降的影响，能在****至百分之5额定转速下准确地检测到换相信号。