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基于XC866的直流無刷電機簡易正弦波控制

     前言

　　隨著控制技術(shù)的發(fā)展以及社會對節(jié)能要求的提高，直流無刷電機作為一種新型、高效率的電機得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的直流無刷電機采用方波控制方式，控制簡單，容易實現(xiàn)，同時存在轉(zhuǎn)矩脈動、換相噪聲等問題，在一些對噪聲有要求的應(yīng)用領(lǐng)域存在局限性。針對這些應(yīng)用，采用正弦波控制可以很好的解決這個問題。

　　直流無刷電機的正弦波控制簡介

　　直流無刷電機的正弦波控制即通過對電機繞組施加一定的電壓，使電機繞組中產(chǎn)生正弦電流，通過控制正弦電流的幅值及相位達(dá)到控制電機轉(zhuǎn)矩的目的。與傳統(tǒng)的方波控制相比，電機相電流為正弦，且連續(xù)變化，無換相電流突變，因此電機運行噪聲低。

　　根據(jù)控制的復(fù)雜程度，直流無刷電機的正弦波控制可分為：簡易正弦波控制與復(fù)雜正弦波控制。

　�。�1）簡易正弦波控制：

　　對電機繞組施加一定的電壓，使電機相電壓為正弦波，由于電機繞組為感性負(fù)載，因此電機相電流也為正弦波。通過控制電機相電壓的幅值以及相位來控制電流的相位以及幅值，為電壓環(huán)控制，實現(xiàn)較為簡單。

　�。�2）復(fù)雜正弦波控制：

　　與簡易正弦波控制不同，復(fù)雜的正弦控制目標(biāo)為電機相電流，建立電流環(huán)，通過直接控制相電流的相位與幅值達(dá)到控制電機的目的。由于電機相電流為正弦信號，因此需要進(jìn)行電流的解耦操作，較為復(fù)雜，常見的為磁場定向控制（FOC）及直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）等。

　　本文將主要介紹簡易正弦波控制的原理及其實現(xiàn)。

　　簡易正弦波控制原理

　　簡易正弦波控制即通過控制電機正弦相電壓的幅值以及相位達(dá)到控制電機電流的目的。通常通過在電機端線施加一定形式的電壓來使繞組兩端產(chǎn)生正弦相電壓。常見的生成方式為：正弦PWM以及空間矢量PWM。由于正弦PWM原理簡單且便于實現(xiàn)，因此簡易正弦波控制中通常采用其作為PWM生成方式。圖1為BLDC控制結(jié)構(gòu)圖，其中Ux、Uy、Uz為橋臂電壓，Ua、Ub、Uc為電機繞組的相電壓，以下對于不同種類的PWM調(diào)制方式的介紹將基于此結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行。

圖1 直流無刷電機控制框圖

　�。�1）三相正弦調(diào)制PWM

　　三相SPWM為最常見的正弦PWM生成方式，即對電機三個端線施加相位相差120度的正弦電壓信號，由于中性點為0，因此電機相電壓也為正弦，且相位與施加的正弦電壓相同。如圖2所示。

圖2 三相調(diào)制SPWM端線電壓

　�。�2）開關(guān)損耗最小正弦PWM

　　與常見的SPWM不同，采用開關(guān)損耗最小正弦PWM時，施加在電機端線上電壓Ua、 Ub、Uc并非正弦波電壓，此時電機中心點電壓并非為0，但是電機相電壓仍然為正弦。因此此類控制方式為線電壓控制。見圖3：

圖3 開關(guān)損耗最小正弦PWM端線電壓

　　其中Ux、Uy、Uz為電機端線電壓，Ua、Ub、Uc為電機相電壓，可見相電壓相位差為120度。Ux、Uy、Uz與Ua、Ub、Uc的關(guān)系如下：

　　合并后，Ux，Uy，Uz如下：

　　可見采用開關(guān)損耗最小正弦PWM時，Ux，Uy，Uz相位差120度，且為分段函數(shù)形式，并非正弦電壓，而電機相電壓Ua、Ub、Uc仍然為正弦電壓。且在120度區(qū)內(nèi)端線電壓為0，即對應(yīng)的開關(guān)管常開或常關(guān)。因此與三相正弦PWM相比，開關(guān)損耗減少1/3。

　　通過控制Ux，Uy，Uz的相位以及幅值即可以控制Ux，Uy，Uz，實現(xiàn)控制電流的目的。

　　直流無刷電機簡易正弦波控制的實現(xiàn)

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。工作原理如下：霍爾輸入信號經(jīng)過自動濾波及采樣處理，得到可靠的換相信號，此信息可被用作估算轉(zhuǎn)子角度以及轉(zhuǎn)速。速度PI調(diào)解器根據(jù)給定轉(zhuǎn)速值以及反饋轉(zhuǎn)速值計算正弦PWM的Modulation的大小。位置估算單元利用轉(zhuǎn)速以及換相信息估算轉(zhuǎn)子位置角Angle。通過超前角調(diào)整單元，補償超前角Δ，得到Angle。SPWM單元利用Modulation 以及Angle信息生成開關(guān)損耗最小SPWM，輸出到逆變單元。以下內(nèi)容介紹了各單元原理及實現(xiàn)。

圖4 系統(tǒng)框圖

　　開關(guān)損耗最小正弦PWM的生成

　　由于Ux，Uy，Uz相位相差120度，因此以Ux為例進(jìn)行分析。

　　Ux為分段函數(shù)，與為正弦函數(shù)且以對稱。僅需實現(xiàn)其中一段，另一段對稱處理即可。

　　的實現(xiàn)：

　　因此僅需要利用0-120度的正弦表即可以實現(xiàn)，即，其中M為幅值。Uy，Uz的實現(xiàn)與Ux相似，相位差為120°。

　　通過控制M和x即可控制電機相電壓的幅值及相位。

　　開關(guān)損耗最小正弦PWM控制與霍爾位置傳感器的關(guān)系

　　通常直流無刷電機采用霍爾傳感器定位轉(zhuǎn)子位置，由于傳統(tǒng)控制方式為方波控制，因此3個霍爾傳感器即可滿足要求�；魻杺鞲衅鞯奈恢门c轉(zhuǎn)子反電勢之間的關(guān)系見圖5，即霍爾傳感器安裝于反電勢為30°、90°、150°、210°、270°、330°的位置。具體霍爾輸出值與霍爾的具體安裝方式相關(guān)。

圖5 BLDC霍爾傳感器輸出與反電勢之間的關(guān)系

　　采用開關(guān)損耗最小正弦PWM控制BLDC時，電機端線電壓與霍爾傳感器輸出之間的關(guān)系示意圖如圖6。

圖6 采用開關(guān)損耗最小正弦PWM時，端線電壓與霍爾狀態(tài)的關(guān)系

　　由圖2可知，采用開關(guān)損耗最小正弦PWM時電機端線電壓超前于相電壓30°，因此可得采用正弦波控制時電機相電壓與反電勢同步。

　　由于相電壓超前于相電流，因此相電流滯后于反電勢。

　　轉(zhuǎn)速計算

　　轉(zhuǎn)速計算依賴于霍爾傳感器，理想狀態(tài)下相鄰兩個霍爾狀態(tài)的間隔為60°，實際應(yīng)用中由于存在安裝誤差，實際間隔并非60°，會引入計算誤差。本文檔中采用一個霍爾傳感器的輸出作為轉(zhuǎn)速計算參考，如圖7所示。其中高低電平分別為180度，不會引入安裝誤差。利用此信息即可計算電機轉(zhuǎn)速。

圖7 轉(zhuǎn)速計算

　　計算公式如下：。其中：f為電頻率，P為電機極對數(shù)

　　角度估算

　　與方波控制不同，正弦波控制中角度為連續(xù)變化，而BLDC中常見的3個霍爾傳感器僅僅能提供6個角度信息，即0°，60°，120°，180°，240°，300°，其他角度信息無法直接獲得。通常采用平均速度法，假設(shè)在一定時間內(nèi)電機速度平穩(wěn)，利用前次霍爾換相時的角度與速度信息插值得到其他角度信息，如圖8所示。

圖8 角度估算

　　，由此可見電機的轉(zhuǎn)速波動將直接影響角度計算的誤差，在方案中利用相鄰3次180°換相時間的平均值來計算轉(zhuǎn)速信息，如圖9。

圖9 多次平均法計算轉(zhuǎn)速

　　即，以此減少轉(zhuǎn)速波動引起的角度誤差。

　　轉(zhuǎn)速PI

　　轉(zhuǎn)速控制采用PI調(diào)解器，輸入為轉(zhuǎn)速給定及轉(zhuǎn)速反饋，輸出為開關(guān)損耗最小正弦PWM的幅值Modulation。公式如下：

　　其中：y為PI調(diào)解器輸出。具體實現(xiàn)時，積分環(huán)節(jié)添加抗積分飽和功能，限制積分器輸出的最大、最小值，同時對整個PI調(diào)解器的輸出值增加飽和限制，實現(xiàn)框圖如下。

圖10 PI調(diào)解器框圖

　　啟動

　　直流無刷電機啟動之前，轉(zhuǎn)子處于靜止?fàn)顟B(tài)，僅僅能利用霍爾傳感器得到電機的絕對位置信息，由于不存在換相，無法得到電機轉(zhuǎn)速信息，因此無法利用平均速度法計算正弦控制所需的角度信息。所以在電機啟動階段，無法直接切入正弦控制方式，在此采用方波控制方式啟動。當(dāng)電機啟動后并獲得可靠的換向信息后，即可切入正弦波控制。為了防止出現(xiàn)較大的轉(zhuǎn)速波動，需要注意切換前后電流的相位及幅值均平穩(wěn)過渡。

　　理想切換前后的電流波形圖11如下。

　　超前角調(diào)整

　　由前面內(nèi)容可知，霍爾傳感器的輸出反映轉(zhuǎn)子的反電勢信息，依據(jù)霍爾狀態(tài)生成的正弦波相電壓與轉(zhuǎn)子反電勢同相位。而由于電機為感性負(fù)載，因此電機相電流滯后于相電壓。即電機相電流滯后于反電勢。而霍爾最大轉(zhuǎn)矩輸出時，電機相電流與反電勢同步，因此需要調(diào)整電壓相位，使生成的相電壓超前于反電勢，即超前角Δ。適當(dāng)調(diào)整Δ，可使相電流與反電勢同相位，提高輸出轉(zhuǎn)矩，提高系統(tǒng)效率。超前角的調(diào)整可通過實驗形式手動調(diào)整，或者采用一定的算法自動調(diào)整。

圖11 方波控制向正弦波控制的理想切換

　　實驗結(jié)果

　　本文提出的控制方法具體實現(xiàn)時采用Infineon的高性能 8位單片機XC866。XC866內(nèi)部集成專用電機控制單元CCU6E（提供專用BLDC控制模式）以及高性能ADC模塊，是控制直流無刷電機的理想選擇。電機為一臺額定功率35W的直流無刷風(fēng)機，極對數(shù)：4。啟動時采用方波控制，當(dāng)速度平穩(wěn)后切入正弦波控制。圖12為運行于開關(guān)損耗最小正弦PWM控制下的電機相電流。

圖12 采用開關(guān)損耗最小正弦波控制的BLDC相電流

　　小結(jié)

　　本文介紹了一種基于開關(guān)損耗最小正弦PWM的直流無刷電機正弦波控制方案，并基于Infineon高性能8位單片機XC866進(jìn)行了系統(tǒng)實現(xiàn)及驗證。與傳統(tǒng)的方波控制相比，由于采用正弦波驅(qū)動技術(shù)，電機運行噪聲低，且開關(guān)損耗較SPWM減少1/3，可以很好的滿足直流無刷風(fēng)機應(yīng)用中對噪聲以及效率的要求，因此此類控制方案將有很大的應(yīng)用前景。