摘 要：分析了两种PWM调制模式下断开相绕组的端电压波形，说明各种能忽略开关噪声、直接获得反电势过零点的端电压法的特点。提出了一种低成本的无刷直流电动机无位置传感器控制方案，利用xc866单片机内嵌的模数转换单元，在PwM开通时刻测量断开相绕组端电压，获得反电势过零点，降低了成本，简化了外围电路。实验结果验证了理论分析的正确性和方案的可靠性。
关键词：无刷直流电动机；PwM调制；无位置传感器；反电势过零点检测
0 引 言
具有梯形波反电势的无刷直流电机以其结构简单、控制方便、功率密度高、输出转矩大等优点得到了越来越广泛的研究和应用。传统的无刷直流电机需要一套位置传感器来获得转子位置，信息控制逆变器换相，保持电流与反电动势同步，使之在单位电流内能输出****的转矩。为了降低成本和消除位置传感器对系统可靠性的影响，无刷直流电机无位置传感器控制技术成为近二十年来的一个研究热点。本文首先对不同PwM调制模式下，PwM开通和关断不同时刻无刷直流电机的电路状态进行分析，得到断开相绕组端电压受到的PwM调制的具体影响，并用实验结果进行了验证，从而总结出了能够忽略开关噪声，直接利用断开相绕组端电压直接获得反电势过零点检测方法的原理。在此基础上说明上述传统端电压法改进策略各自的特点。本文还提出了一种低成本的无刷直流电机无位置传感器控制方案，利用英飞凌科技公司的xc866单片机内嵌的数模转换单元，在PwM开通时刻对断开相绕组端电压进行采样，得以忽略开关噪声，然后用软件实现反电势过零点的判断，得到转子位置信息，使得对外围电路的需求降到了****(不需要滤波器，比较器)，降低了系统成本。最后对实验结果进行研究证明了本文所提无刷直流电机无位置传感器系统方案的有效性。
1 不同PwM调制模式下的端电压法
无刷直流电机的驱动电路一般采用三相逆变桥作为主电路，逆变器采用六拍换相控制方式。
根据功率器件在导通期问内调制方式的不同有多种PWM调制模式。本节对其中的Hpwm—kn(在上管导通期间PWM调制，下管导通期间恒导通)和Hpwm_Lpwm(在上下管导通期间同时进行PwM调制)调制模式下的断开相绕组的端电压波形进行分析，从而说明几种不同端电压法的特点。无刷直流电机3相电压平衡方程式为：
式中，R为绕组内电阻；ua，ub，uc为端电压；ia，ib，ic分别为三相相电流；Ea，Eb，Ec分别为无刷直流电机A，B，c三相绕组的反电动势，Vn为电机中心点电压。
1. 1 Hpwm—Lon调制模式
假设无刷直流电机的反电势波形为理想的梯形波，忽略电枢反应的影响，忽略二极管和开关管的导通压降，在PwM开通和关断情况下，有如下两种工作状态：
(1)当VTl、VT3同时导通时(图2a)，即PWM开通时刻：
结论和图2清楚地表明了断开相绕组的端电压幅值受PWM调制的具体影响。为了消除PWM斩调制带来的影响，传统的端电压法通过对端电压信号进行滤波，来消除高频开关噪声。这种方法的缺点就是滤波器的使用会带来与转速相关的相位延时，从而需要进行相位补偿，这样使控制系统趋于复杂。同时也可以得出如果能在PwM开通和关断时刻分别取得断开相绕组的端电压，就能直接获得反电势的过零点。
在：PWM开通时刻检测，用检测到的端电压幅值与Udc／2进行比较，或者在PwM关断时刻进行检测，用检测到的端电压与地电位进行比较。文献[1]中的续流二极管法正是利用后者PWM关断时刻反电势过零所引起的续流二极管导通现象来间接获得反电势过零点，实现了45 r／112113．至2 300 r／lnlr【的调速范围。但由于需要采用pwm—on调制模式(开关管在120°的导通期间，前60°调制后60°开通的方式工作)，这样会使控制更加困难，而且还需要6路 独立电源给硬件检测电路供电，以及续流二极管自身的压降导致过零点的偏移。由于存在这些缺陷，限制了它的应用。文献[2—4]采用在PWM关断时刻对断开相绕组端电压进行检测的方法，利用D触发器锁存PWM关断时刻的断开相绕组端电压与地电位的比较结果，直接获得反电势过零点，实现了50 r／min至2 500 r／min的调速范围，但由于PwM占空比很高的时候PWM关断时间已经很短，难以获得准确的端电压信息，这使得PWM的占空比不能达到100％。文献[5-6]经过改进，在高占空比下用udc／2作为参考电压，同时使用两种参考电位使PWM占空比可达到100％。
1．2 Hpw一一Lpwm调制模式
当采用H[pwrn_Lpwrc。调制模式时，在PWM开通时刻，电路工作状态与上述Hpwm—LOn调制模式时相同，在PWM关断时刻(等效电路如图3)有：
从图4可以看出在Hpwm—Lpwm调制模式下，断开相绕组的端电压不会随着PWM调制产生波动，始终为udc／2+Ec。虽然这种PWM调制模式开关损耗较大，但给反电势过零点的检测带来了方便。因为断开相绕组的端电压不受PWM调制噪声的影响，也就不需要滤波，将断开相绕组的端电压与参考电位udc／2进行比较，直接获得反电势过零点，文献[7]正是利用这一原理，可达43至1 020 r／min的调速范围。
2反电势过零点检测方案
本文所采用的反电势检测方法的主要特点是通过内嵌模数转换单元xc866单片机在。PWM开通时刻对断开相绕组的端电压进行检测。具体检测方法如图5所示。图中u表示采样到的电压值，T1表示从换相到采样到电压u1的时间间隔。随着反电势的降低，不断将采样得到的电压u1与电源电压的一半进行比较，如果U1>udc／2，则继续采样比较。当U1＜udc／2时的瞬间，记下时间T2则T2换相到反电势过零的30°电角度的时间。反电势逐步增加的情况与之类似，只不过u1从小于Udc2变为大于Udc／2，然后与上一次的60°电角度时间进行平均，得出的新60°电角度时间作为换向周期。
与传统的反电势过零点检测方案相比，本文所提出的方案的优点主要有：
(1)因为只在PwM开通时刻对端电压进行检测，不像传统的端电压法需要低通滤波器，所以检测到的反电势过零点没有与速度相关的相位延时，也就不需要对相位延时进行补偿。
(2)因为反电势信息经过模数转换，在单片机里进行处理，所以不需要利用硬件比较器来检测反电势信号，简化了电路。
3控制方案
在xC866上的实现由于本控制系统以xC866单片机为核心。
xC866是英飞凌科技公司高性能8位微控制器xc800系列产品之一。它基于的xc800内核并与标准8051处理器兼容，专门用于低端的电机驱动应用。xc866集成了很多集成片内器件。要实现上述反电势过零点检测方法，主要借助于电机控制专用模式捕获／比较单元(Ccu6)和功能扩展的10位模数转换单元(ADC：)以及它们之间的协作：
(1)通过设置，可以使产生PWM信号的比较捕获单元的定时器T1 3的周期中断触发模数转换单元进行AD转换，这样由于驱动电路(如IR2130)造成控制输出的延时，使得刚好能捕捉到PwM开通时刻的端电压信息。
(2)模数转换单元内部具有极限边界检查单元，能够将转换结果和两个设定的边界值(BOIJNDO和BO[INDl)相比较，产生通道中断。
也就是说，可以在模数转换单元里设定一个范围，只有当数据符合这个范围的时候才发出中断，进入中断服务程序进行处理，这就保证了系统资源只有少部分消耗在反电势过零点检测当中。
系统的结构如图6所示。cc60—cC62、cOuTO—C0uT62为xC866的6路驱动信号输出，ANO、ANl、AN2都是数模转换单元的L／O口，分别用来采样经过分压的端电压，电容C为采样保持电容。从电路的结构图可以看出，系统只使用了简单的外围电路，主要功能都依靠软件实现。
4实验结果
在实验室搭建的样机上对本文所提出的方案进行了检验，样机为36 V，额定转速360 r／min、额定功率为220 w的轮毂式无刷直流电机。图7分别为电机在90 r／min和额定转速下的实验结果。
图中依次从上往下为：通道l为端电压波形，通道2为虚构霍尔传感器信号波形(根据文中所提反电势过零点检测方案得到的换相信息经过软件处理，在单片机一个引脚上进行电平翻转得到的信号)，通道3为实际霍尔传感器信号波形。在90 r／111111位置信息的误差范围在1。至2。电角度以内，电机在90 r／min至额定转速调速范围之内能够稳定运行。
本文首先对不同PWM调制模式下，PWM开通和关断不同时刻无刷直流电机的电路状态进行分析，得到断开相绕组端电压受到的PwM调制的具体影响，并用实验结果进行验证，从而总结出了能够忽略开关噪声、直接利用断开相绕组端电压直接获得反电势过零点检测方法的理论依据，然后提出了一种低成本的无刷直流电机无位置传感器控制系方案；借助xc866的优良性能，用软件实现了反电势过零点的判断并控制电机运行。
该方案不需要滤波器及比较器，因而也不需要对滤波器造成的相位进行补偿，并使外围的硬件电路得到****简化，具有较好的实用价值。
图中至上而下依次为：端电压波形，虚构霍尔信号波形，实际霍尔信号波形。
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