專利名稱：無位置傳感器無刷直流電機(jī)ip核的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無位置傳感器無刷直流電機(jī)IP核，屬于電機(jī)控制領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
無刷直流電機(jī)(Brushless DC Motor,簡稱BLDCM)是梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的別 稱，其特點(diǎn)是電機(jī)中氣隙磁密分布為梯形波，因而電機(jī)的反電勢波形和電流波形均為梯形 波。 無刷直流電機(jī)與其他各類電動(dòng)機(jī)相比，具有體積小、效率高、出力大、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、
過載能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)特性好、控制容易、靈活、方便等特點(diǎn)?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、數(shù)控機(jī)床、機(jī)
器人控制、電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)和家電應(yīng)用等領(lǐng)域。高性能的無刷直流電機(jī)需要實(shí)時(shí)檢測轉(zhuǎn)子位置
已實(shí)現(xiàn)其自控變頻驅(qū)動(dòng)，因此產(chǎn)生了各種無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號的監(jiān)測方法，如電磁
式位置傳感器，霍爾位置傳感器，光電編碼器等。但這些位置傳感器都作為電機(jī)本體的附屬
結(jié)構(gòu)存在，使電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步復(fù)雜化，增加了電機(jī)的重量和體積，同時(shí)，位置傳感器安裝與
維護(hù)困難，是整個(gè)無刷直流電機(jī)本體結(jié)構(gòu)中最薄弱的環(huán)節(jié)，使無刷直流電機(jī)的可靠性降低。
因此，目前，無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制成為學(xué)者和工程人員研究的熱點(diǎn)。 無位置傳感器的轉(zhuǎn)子位置檢測是通過檢測和計(jì)算與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)的物理量間接
地獲得轉(zhuǎn)子的位置信息。常用的無位置傳感器位置檢測方法有反電勢過零檢測法、續(xù)流二
極管工作狀態(tài)檢測法、繞組三次諧波檢測法和瞬時(shí)電壓方程法等。 目前，在無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號無傳感器檢測領(lǐng)域中，反電動(dòng)勢過零檢測法 由于檢測電路結(jié)構(gòu)簡單，算法亦不復(fù)雜，因此發(fā)展最成熟，應(yīng)用最為廣泛。
對于最常見的兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)工作方式，除了換向的瞬間之外，在任何 時(shí)刻，電機(jī)總有一項(xiàng)繞組處于斷路狀態(tài)。當(dāng)斷路相繞組的反電勢過零之后，再經(jīng)過30度電 角度，就是該相的換相點(diǎn)。因此，只要檢測到各相繞組反電勢的過零點(diǎn)，就可以確定電機(jī)的 轉(zhuǎn)子位置和下次換流時(shí)間。傳統(tǒng)的反電勢過零檢測算法都是通過外圍分立的模擬電路，重 構(gòu)出電機(jī)的中心點(diǎn)電壓來獲得反電勢過零信號的。但是，受重構(gòu)電路準(zhǔn)確性的影響，反電勢 過零信號總是存在誤差，造成電機(jī)的換相精度較低，控制性能不是很理想。隨著數(shù)字信號處 理器DSP的出現(xiàn)，在DSP中以軟件方式實(shí)現(xiàn)過零檢測及驅(qū)動(dòng)控制一度成為研究熱點(diǎn)。但是， 軟件算法的串行性又會引入一定的執(zhí)行延時(shí)，而且它還會增加CPU的負(fù)擔(dān)，限制了電機(jī)其 它控制任務(wù)的完成。另外，傳統(tǒng)的反電勢過零檢測法僅能在20%以上額定轉(zhuǎn)速以上才能使 用，調(diào)速范圍受到很大制約，一般調(diào)速范圍D在5 10之間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有過零檢測方法中軟件算法的串行性會引入一定的執(zhí)行 延時(shí)，而且它還會增加CPU的負(fù)擔(dān)，限制了電機(jī)其它控制任務(wù)的完成；另外，傳統(tǒng)的反電勢 過零檢測法僅能在20%以上額定轉(zhuǎn)速以上才能使用，調(diào)速范圍受到很大制約的問題，提供 了無位置傳感器無刷直流電機(jī)IP核。
3
本發(fā)明包括多路模數(shù)轉(zhuǎn)換接口單元、反電勢過零檢測單元、三段式同步啟動(dòng)模塊、 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負(fù)反饋PI調(diào)節(jié)器和P麗控制器， 多路模數(shù)轉(zhuǎn)換接口單元，用于將接收到的三相電壓采樣信號發(fā)送給反電勢過零檢 測單元；還用于將接收到的母線電流采樣信號發(fā)送給轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負(fù)反饋PI調(diào)節(jié)器；
反電勢過零檢測單元，用于接收三相電壓信號，還用于輸出無刷直流電機(jī)的實(shí)際 轉(zhuǎn)速信號給轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負(fù)反饋PI調(diào)節(jié)器； 三段式同步啟動(dòng)模塊，用于接收系統(tǒng)輸入的轉(zhuǎn)向信號，還用于輸出開環(huán)占空比控 制信號、開環(huán)換相信號和開/閉環(huán)控制信號給P麗控制器以實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的軟啟動(dòng)；
轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負(fù)反饋PI調(diào)節(jié)器，用于接收系統(tǒng)輸入的啟停信號、輸入轉(zhuǎn)速信號 和反電勢過零檢測單元輸出的實(shí)際轉(zhuǎn)速信號，還用于輸出閉環(huán)占空比控制信號給P麗控制 器； 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負(fù)反饋PI調(diào)節(jié)器，用于接收啟停信號、輸入轉(zhuǎn)速信號和實(shí)際轉(zhuǎn)速 信號，還用于輸出閉環(huán)占空比信號給P麗控制器； P麗控制器，用于接收系統(tǒng)輸入的轉(zhuǎn)向信號、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負(fù)反饋PI調(diào)節(jié)器輸 出的閉環(huán)占空比信號、三段式同步啟動(dòng)模塊為實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)軟啟動(dòng)依次輸出的開環(huán)占 空比控制信號、開環(huán)換相信號和開/閉環(huán)控制信號和反電勢過零檢測單元輸出的閉環(huán)換相 信號，還用于輸出無刷直流電機(jī)控制信號。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)無等待的過零檢測硬件邏輯電路，避免常規(guī)處理器因使用軟件進(jìn) 行檢測和運(yùn)行所帶來的延遲；系統(tǒng)的調(diào)速范圍得到了很大提高，調(diào)速范圍D > 20 ;易于維 護(hù)，便于升級，具有良好的通用性與可移植性。


圖1是本發(fā)明所述無位置傳感器無刷直流電機(jī)IP核的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是FPGA 構(gòu)建本發(fā)明無位置傳感器無刷直流電機(jī)IP核的總體結(jié)構(gòu)示意圖，圖3是電機(jī)轉(zhuǎn)速為220Rpm 時(shí)換向信號波形與A、 B、 C三相反電勢波形圖，圖4是電機(jī)輸入轉(zhuǎn)速由125Rpm突加至 2500Rpm的暫態(tài)轉(zhuǎn)速曲線，圖5是AD模/數(shù)轉(zhuǎn)換器采用單端輸入模式時(shí)，正負(fù)兩個(gè)輸入信號 對應(yīng)曲線，圖6是反電勢與開關(guān)管工作順序波形圖，圖7是電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)的反電勢波形圖及相 位轉(zhuǎn)換示意圖，圖8是VHDL三段式同步啟動(dòng)模塊1/0端口示意圖。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一 下面結(jié)合圖l至圖8來說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式無位置傳感 器無刷直流電機(jī)IP核10包括多路模數(shù)轉(zhuǎn)換接口單元101、反電勢過零檢測單元102、三段 式同步啟動(dòng)模塊103、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負(fù)反饋PI調(diào)節(jié)器104和P麗控制器105，
多路模數(shù)轉(zhuǎn)換接口單元101，用于將接收到的三相電壓采樣信號發(fā)送給反電勢過 零檢測單元102 ;還用于將接收到的母線電流采樣信號發(fā)送給轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負(fù)反饋PI調(diào) 節(jié)器104 ; 反電勢過零檢測單元102，用于接收三相電壓信號，還用于輸出無刷直流電機(jī)的實(shí) 際轉(zhuǎn)速信號給轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負(fù)反饋PI調(diào)節(jié)器104 ; 三段式同步啟動(dòng)模塊103，用于接收系統(tǒng)輸入的轉(zhuǎn)向信號，還用于輸出開環(huán)占空比控制信號、開環(huán)換相信號和開/閉環(huán)控制信號給P麗控制器105以實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的軟 啟動(dòng)； 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負(fù)反饋PI調(diào)節(jié)器104，用于接收系統(tǒng)輸入的啟停信號、輸入轉(zhuǎn)速 信號和反電勢過零檢測單元102輸出的實(shí)際轉(zhuǎn)速信號，還用于輸出閉環(huán)占空比控制信號給 P麗控制器105 ; 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負(fù)反饋PI調(diào)節(jié)器104，用于接收啟停信號、輸入轉(zhuǎn)速信號和實(shí)際 轉(zhuǎn)速信號，還用于輸出閉環(huán)占空比信號給P麗控制器105 ; P麗控制器105，用于接收系統(tǒng)輸入的轉(zhuǎn)向信號、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負(fù)反饋PI調(diào)節(jié)器 104輸出的閉環(huán)占空比信號、三段式同步啟動(dòng)模塊103為實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)軟啟動(dòng)依次輸 出的開環(huán)占空比控制信號、開環(huán)換相信號和開/閉環(huán)控制信號和反電勢過零檢測單元102 輸出的閉環(huán)換相信號，還用于輸出無刷直流電機(jī)控制信號驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)運(yùn)行。
本實(shí)施方式所述的無位置傳感器無刷直流電機(jī)IP核10是由FPGA1內(nèi)部構(gòu)建的， FPGA1內(nèi)部還構(gòu)建有NIOSII軟核ll，無位置傳感器無刷直流電機(jī)IP核10和NIOSII軟核 11分別掛接在FPGA1內(nèi)部的總線上，無位置傳感器無刷直流電機(jī)IP核10的具體結(jié)構(gòu)示意 圖如圖1所示，其由FPGAl構(gòu)建及應(yīng)用于控制無刷直流電機(jī)的總體示意圖如圖2所示。
無刷直流電機(jī)4的采樣信號端與多路并行模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣電路3的信號輸入端相 連，多路并行模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣電路3的信號輸出端分別與無位置傳感器無刷直流電機(jī)IP核10 的采樣信號端相連，每個(gè)無位置傳感器無刷直流電機(jī)IP核10的輸出端與一個(gè)隔離電路2 的輸入端相連，每個(gè)隔離電路2的輸出端與一個(gè)無刷直流電機(jī)4的控制端相連。
FPGAl選用CycloneII系列EP2C20Q240C8N。 多路并行模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣電路3選用AD73360模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。該芯片自身的優(yōu)良特
性和獨(dú)到的外圍電路設(shè)計(jì)使其能很好的適用于本系統(tǒng)的信號采集工作 (1) AD73360具有六個(gè)獨(dú)立的模擬量輸入通道，每個(gè)通道可同時(shí)采樣，消除了普通
AD因?qū)Χ嗦沸盘柕姆謺r(shí)采樣而造成的相位誤差，可實(shí)時(shí)地采樣電機(jī)的三相電壓和母線電
流。另外，AD73360的各路通道都有內(nèi)置程控增益放大器和反混迭濾波器，使其對輸入端的
放大電路和反混迭濾波器的要求大為降低，使調(diào)理電路的設(shè)計(jì)更為精簡。 (2)AD73360使用六線工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)同步串行接口 ，且端口前端采樣速率和后端傳輸速
率可編程控制(最高可支持六通道同時(shí)以64KHz速率采樣)，使其與無位置傳感器無刷直流
電機(jī)IP核10的連接非常方便。由于接口信號線的數(shù)目只有六條，所以這樣不僅節(jié)約了印
制板的面積，而且也有效地減小了電磁干擾，從而使得系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定。 采用專用三相電量測量AD器件AD73360及交流耦合方式對三路反電勢信號進(jìn)行
同時(shí)采樣，極大地提高了采樣精度和抗擾性，從而提高了系統(tǒng)的調(diào)速范圍(> 20)和穩(wěn)定
性。這是直流無刷電機(jī)無位置傳感器驅(qū)動(dòng)的一大創(chuàng)新。 AD73360模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、DM9000A和隔離電路2均為用戶自定義NIOS II系統(tǒng)的外 部設(shè)備，均以自定義組件的形式添加到SOPC Builder中。 NIOSII軟核11發(fā)出指令，通過FPGAl的總線傳達(dá)給無位置傳感器無刷直流電機(jī) IP核10，所述指令包括采樣指令、輸入轉(zhuǎn)向信號、啟停信號和輸入轉(zhuǎn)速n，當(dāng)下達(dá)采樣指令 時(shí)，無位置傳感器無刷直流電機(jī)IP核10將采樣指令傳達(dá)給數(shù)模轉(zhuǎn)換檢測電路3，數(shù)模轉(zhuǎn)換 檢測電路3根據(jù)指令采集無刷直流電機(jī)4的三相電壓信號和母線電流信號，采集回來的信
5號經(jīng)無位置傳感器無刷直流電機(jī)IP核10處理后，輸出P麗信號，并經(jīng)過隔離電路2的隔離， 驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)4運(yùn)行。 我們對直流無刷電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的性能進(jìn)行了測試。
(1)靜態(tài)參數(shù)測定 系統(tǒng)的靜態(tài)參數(shù)包括電機(jī)控制器的調(diào)速范圍、調(diào)速精度及靜特性。表1為125r/min 3000r/min范圍內(nèi)抽樣的給定的輸入轉(zhuǎn)速n與實(shí)際轉(zhuǎn)速n*對比。 表1輸入轉(zhuǎn)速n與實(shí)際轉(zhuǎn)速n*對比
輸入轉(zhuǎn)速 /Rpm125200400800100012001400160020003000
實(shí)際轉(zhuǎn)速 /Rpm125200401800匪11991397160520043001 經(jīng)檢測，系統(tǒng)達(dá)到并超過了預(yù)定的技術(shù)指標(biāo) V可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速125r/min-3000r/min(4. 16%額定轉(zhuǎn)速-額定轉(zhuǎn)速)，調(diào)速范圍 D > 24 ; V轉(zhuǎn)速誤差低于O. 5%。 電機(jī)正轉(zhuǎn)且轉(zhuǎn)速為220Rpm時(shí)，總換向信號波形與A、B、C三相反電勢波形如圖3所 示。從圖中可以看出換相信號準(zhǔn)確且無明顯相移。
(2)動(dòng)態(tài)參數(shù)測定 由于直流無刷電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)所限，電機(jī)調(diào)速時(shí)突加給定的暫態(tài)轉(zhuǎn)速波形難以測 量。于是我們另外設(shè)計(jì)了一個(gè)小模塊，在FPGA1內(nèi)部以0.2s的時(shí)間間隔對無位置傳感器無 刷直流電機(jī)IP核10計(jì)算出的實(shí)際轉(zhuǎn)速n*進(jìn)行采樣，并將結(jié)果存在RAM中已備調(diào)用。電機(jī) 在t = 5s時(shí)由125Rpm突加給定2500Rpm的暫態(tài)轉(zhuǎn)速曲線如圖4所示。其中，虛線為給定 的輸入轉(zhuǎn)速n曲線，另一條為實(shí)際轉(zhuǎn)速W曲線?？梢钥闯?，升速時(shí)約有1%的轉(zhuǎn)速超調(diào)。
IP Core(知識產(chǎn)權(quán)核)將一些在數(shù)字電路中常用，但比較復(fù)雜的功能塊，如FIR濾 波器、SDRAM控制器、PCI接口等設(shè)計(jì)成可修改參數(shù)的模塊。IP核的重用是設(shè)計(jì)人員贏得迅 速上市時(shí)間的主要策略。隨著CPLD/FPGA的規(guī)模越來越大，設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜，設(shè)計(jì)者的主要 任務(wù)是在規(guī)定的時(shí)間周期內(nèi)完成復(fù)雜的設(shè)計(jì)。調(diào)用IP核能避免重復(fù)勞動(dòng)，大大減輕工程師 的負(fù)擔(dān)，因此使用IP核是一個(gè)發(fā)展趨勢。 根據(jù)無刷直流電機(jī)控制方法的分析結(jié)果，可以設(shè)計(jì)出實(shí)現(xiàn)無位置傳感器控制算法 的集成數(shù)字邏輯電路結(jié)構(gòu)，即無位置傳感器無刷直流電機(jī)IP核IO，其結(jié)構(gòu)框圖如圖l所示。
無位置傳感器無刷直流電機(jī)IP核10通過總線接收NOISII軟核11的控制信號 (轉(zhuǎn)向信號、啟停信號和輸入轉(zhuǎn)速)，向無刷直流電機(jī)4發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號，同時(shí)接收無刷直流電 機(jī)4的實(shí)際轉(zhuǎn)速n，無位置傳感器無刷直流電機(jī)IP核10主要由模數(shù)轉(zhuǎn)換接口單元101 (用 于A/D73360驅(qū)動(dòng))、反電勢過零檢測單元102、三段式同步啟動(dòng)模塊103、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負(fù) 反饋PI調(diào)節(jié)器104和P麗控制器105五大部分組成。模數(shù)轉(zhuǎn)換接口單元101用來向反電 勢過零檢測模塊102和轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負(fù)反饋PI調(diào)節(jié)器104提供采樣的三相電壓Ua、Ub、
6Uc和母線電流I。而反電勢過零檢測模塊102則實(shí)現(xiàn)一種新型的基于硬件邏輯的轉(zhuǎn)子位置 檢測算法。這種算法能夠巧妙地利用限速濾波算法和相位補(bǔ)償邏輯消除轉(zhuǎn)子位置信號的偏 差以得到精確的換相信號，并且受相電壓信號中的諧波干擾影響也較小。三段式同步啟動(dòng) 模塊103憑借預(yù)定位、加速和自動(dòng)切換三個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的開環(huán)軟啟動(dòng)，克服反電勢過零 檢測算法不能夠自起動(dòng)的缺陷。轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負(fù)反饋PI調(diào)節(jié)器104在其內(nèi)部對轉(zhuǎn)速、電 流進(jìn)行雙閉環(huán)控制，參考量為用戶輸入的轉(zhuǎn)速設(shè)定，反饋量為反電勢過零檢測模塊102計(jì) 算的實(shí)際轉(zhuǎn)速n和多路并行模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣電路3采集的母線電流。實(shí)際轉(zhuǎn)速n經(jīng)轉(zhuǎn)速電流 雙閉環(huán)負(fù)反饋PI調(diào)節(jié)器104的PI調(diào)節(jié)后輸出，再進(jìn)入P麗控制器105進(jìn)行P麗調(diào)制后輸 出六路橋臂開關(guān)信號，驅(qū)動(dòng)被控的無刷直流電機(jī)4。 無位置傳感器無刷直流電機(jī)IP核10正常工作時(shí)，首先由NOIS II軟核11發(fā)出 控制信號，使三段式同步啟動(dòng)模塊103開始工作，并將轉(zhuǎn)向信號送入三段式同步啟動(dòng)模塊 103。此時(shí)，無刷直流電機(jī)4處于開環(huán)啟動(dòng)階段，由三段式同步啟動(dòng)模塊103對其內(nèi)部設(shè)定 的換相時(shí)間和占空比向P麗控制器105發(fā)出開環(huán)占空比、開環(huán)換相信號和開環(huán)控制信號，并 由P麗控制器105向隔離電路2的三相橋的六個(gè)MOS開關(guān)管對無刷直流電機(jī)4進(jìn)行控制， 使無刷直流電機(jī)4由靜止在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)達(dá)到開環(huán)和閉環(huán)的切換轉(zhuǎn)速。而后，三段式同步 啟動(dòng)模塊103發(fā)出閉環(huán)控制信號，使無刷直流電機(jī)4進(jìn)入閉環(huán)自控變頻階段。模數(shù)轉(zhuǎn)換接 口單元101對多路并行模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣電路AD73360進(jìn)行控制，并且接受串行輸入的無刷直 流電機(jī)4的三相電壓Ua、Ub、Uc和母線電流I信號，并將這四個(gè)信號由串轉(zhuǎn)并，發(fā)送給反電 勢過零檢測單元102和轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負(fù)反饋PI調(diào)節(jié)器104。反電勢過零檢測單元102對 接收到的三路電壓信號進(jìn)行數(shù)字濾波、計(jì)算，轉(zhuǎn)變成具有較高穩(wěn)定性的電機(jī)反電勢信號。對 反電勢信號的過零信號進(jìn)行數(shù)字限速濾波、移相、補(bǔ)償，得到最終的無刷直流電機(jī)4的換相 信號，提供給P麗控制器105以實(shí)現(xiàn)自控變頻；同時(shí)，反電勢過零檢測單元102利用得到的 換相信號進(jìn)行電機(jī)的M/T法測速，將電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速分別送往轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負(fù)反饋PI調(diào) 節(jié)器104用于自動(dòng)控制及送往無位置傳感器無刷直流電機(jī)IP核10接口反回給NOISII軟 核11。轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負(fù)反饋PI調(diào)節(jié)器104接收參考輸入轉(zhuǎn)速信號W、反饋的實(shí)際轉(zhuǎn)速 信號n、反饋的母線電流信號I，利用數(shù)字式串聯(lián)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負(fù)反饋PI調(diào)節(jié)器104 得到閉環(huán)占空比控制信號，并由P麗控制器105轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)信號控制無刷直流電機(jī)4。
執(zhí)行采樣命令的模塊是多路并行模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣電路3 (AD73360)，它具有六個(gè)獨(dú)立 的模擬量輸入通道，每個(gè)通道可同時(shí)采樣，消除了普通AD因?qū)Χ嗦沸盘柕姆謺r(shí)采樣而造成 的相位誤差，可實(shí)時(shí)地采樣無刷直流電機(jī)4的三相電壓Ua、Ub、Uc和母線電流LAD73360的 各路通道都有內(nèi)置程控增益放大器和反混迭濾波器，使其對輸入端的放大電路和反混迭濾 波器的要求大為降低，使調(diào)理電路的設(shè)計(jì)更為精簡。由于AD73360自身要求，其輸入電壓范 圍為0. 4V 2. 0V。采用普通的直流耦合方式，需要對信號進(jìn)行電平調(diào)整，其電路復(fù)雜，精度 難以保證，對反電勢信號的處理有很大影響。本設(shè)計(jì)采用交流耦合方式，使采樣信號以AD 基準(zhǔn)電壓1. 25V為中心上下變化。交流耦合濾掉了無用的直流分量，使反電勢的過零點(diǎn)與 AD基準(zhǔn)電壓重合，如圖5所示，圖5中VREF為AD73360的基準(zhǔn)電壓，在3. 3V電源時(shí)為1. 25V ; VINP為輸入通道正端的模擬輸入；VINN為輸入通道負(fù)端的模擬輸入，圖5說明了 AD73360 在3. 3V電源電壓單端輸入時(shí)的輸入輸出關(guān)系。AD73360的單端輸入，VINN接到REFOUT端， 為VREF = 1. 25V。簡化了 FPGA對反電勢過零點(diǎn)的檢測算法；采樣信號以基準(zhǔn)源為對稱中心，最大限度的降低了基準(zhǔn)不穩(wěn)對精度的影響，提高了采樣精度。 采樣回來的三相電壓Ua、 Ub、 Uc和母線電流I輸出給模數(shù)轉(zhuǎn)換接口單元101，接
受串行輸入的電機(jī)的三相電壓和母線電流信號，并將這四個(gè)信號由串轉(zhuǎn)并，其中，三相電壓Ua、Ub、Uc發(fā)送給反電勢過零檢測單元102，母線電流I發(fā)送給轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負(fù)反饋PI調(diào)節(jié)器104。 反電勢過零檢測單元102由四部分組成時(shí)鐘分頻模塊、反電勢相位轉(zhuǎn)換模塊、相位延遲模塊和速度信號生成模塊。 無刷直流電機(jī)4啟動(dòng)后，轉(zhuǎn)子磁極產(chǎn)生的磁通切割定子繞組產(chǎn)生反電勢E，其大小正比于無刷直流電機(jī)4的轉(zhuǎn)速及氣隙磁場B。而當(dāng)轉(zhuǎn)子極性改變時(shí)，反電勢波形的正負(fù)也隨著改變。所以只要測出反電勢波形的過零點(diǎn)，就可以確定轉(zhuǎn)子的精確位置，并以此來控制無刷直流電機(jī)4的換相。無刷直流電機(jī)4反電勢與理想的開關(guān)管工作順序如圖6所示。[OOM] (1)時(shí)鐘分頻模塊 時(shí)鐘分頻模塊將50腿z的系統(tǒng)時(shí)鐘經(jīng)過500分頻得到100kHz的時(shí)鐘信號送入相位延遲模塊。 (2)反電勢相位轉(zhuǎn)換模塊 反電勢相位轉(zhuǎn)換模塊將三相電壓信號Ua、Ub、Uc經(jīng)過中值平均濾波和相關(guān)計(jì)算得到反電勢信號。再由反電勢信號的過零點(diǎn)得到初步的換相信號。 <U=C/6—*(t/a+t/c)
n會("。+") 電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)的反電勢及相位轉(zhuǎn)換原理如下圖7所示，ea、 eb、 e。分別為A相、B相、C相的濾波后反電勢波形，abc為轉(zhuǎn)換中間量。當(dāng) X)時(shí)abc[2] = 1， ea < 0時(shí)abc [2]=0 ;當(dāng)eb > 0時(shí)abc[l] = 1， eb < 0時(shí)abc[l] = 0 ;當(dāng)ec > 0時(shí)abc[O] = 1， ec < 0時(shí)abc[O] =0。由此我們可得abc信號在電機(jī)電角度轉(zhuǎn)過360度時(shí)，經(jīng)過了 100， 110，010，011，OOl，lOl六個(gè)狀態(tài)，這六個(gè)狀態(tài)分別對應(yīng)著phase」和phase_c的六個(gè)狀態(tài)000， 001， 011，111，110，100。 (3)相位延遲模塊 相位延遲模塊實(shí)現(xiàn)了由phase」到phaSe_C信號的轉(zhuǎn)換，同時(shí)向速度信號生成模塊提供頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速成比例的脈沖信號flag6，此信號由abc[2]信號直接輸出。
phase_i和phase_c的區(qū)別在于，phase_c信號是由phase_i信號滯后約30度電角度得到的。在相位延遲模塊中內(nèi)嵌了一個(gè)改進(jìn)的FIPS(頻率無關(guān)移相)數(shù)字移相器用于實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。另外，為了補(bǔ)償硬件濾波和軟件濾波造成反電勢信號的相位滯后，phase_c滯后的電角度一定小于30度。我們對由濾波引起的相位滯后進(jìn)行了仿真，并且將實(shí)驗(yàn)得到的不同頻率對應(yīng)的角度預(yù)先放入ROM中由此模塊調(diào)用，這樣即可得到相對精確的換相信號，對提高系統(tǒng)的調(diào)速范圍有很大幫助。
(4)速度信號生成模塊。
8
速度信號生成模塊利用頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速成比例的脈沖信號flag6對電機(jī)進(jìn)行M/
T法測速。M/T法(頻率/周期法)是同時(shí)測量檢測時(shí)間和在此檢測時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)速脈沖信號
的個(gè)數(shù)來確定轉(zhuǎn)速。由于同時(shí)對兩種脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，因此只要"同時(shí)性"處理得當(dāng)，M/
T法在高速和低速時(shí)都具有較高的測速精度，適合高調(diào)速范圍、高精度的無刷直流電機(jī)調(diào)速
系統(tǒng)。M/T法測速綜合了M(頻率)法與T(周期)法的長處，既記錄測速時(shí)間內(nèi)輸出的脈沖
數(shù)Mp又檢測同一時(shí)間間隔內(nèi)高頻時(shí)鐘脈沖數(shù)M2。設(shè)高頻時(shí)鐘脈沖的頻率為f。，則測速時(shí)間
Tt = M2/f。。習(xí)慣上轉(zhuǎn)速常以每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)來表示，則電機(jī)的轉(zhuǎn)速可表示為
60M! 60M乂 ， ， 、
" == J 。 (r/min) 式中，Z為電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈所產(chǎn)生的脈沖數(shù)。 對于本系統(tǒng)的六極永磁無刷直流電機(jī)及前述算法，電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈轉(zhuǎn)過的電角度為
6*360度，每360電角度中flag6產(chǎn)生一個(gè)脈沖。因此Z二6。高頻時(shí)鐘脈沖由FPGA系統(tǒng)
時(shí)鐘充當(dāng)，為50MHz。因此，速度產(chǎn)生模塊中使用的計(jì)算公式具體為
60似，/0 60x50MHzxM, 5xlO、M….、w =-^=-^-Kr/min)
ZM2 6xM2 M2 S卩，反電勢過零檢測單元102輸出閉環(huán)換相信號給P麗控制器105，控制無刷直流電機(jī)4的換相。經(jīng)過反電勢過零檢測單元102計(jì)算出實(shí)際轉(zhuǎn)速n，實(shí)際轉(zhuǎn)速n—方面返回給NOISII軟核ll，一方面輸出給轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負(fù)反饋PI調(diào)節(jié)器104。 為了精確定位無刷直流電機(jī)4的轉(zhuǎn)子磁極的位置，本發(fā)明采用三段式同步啟動(dòng)模塊103， 在無刷直流電機(jī)中，定子繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢與轉(zhuǎn)子位置保持著確定的關(guān)系，根據(jù)反電勢法換向的無刷直流電機(jī)正是基于這一原理工作的。而反電勢的幅值與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比。當(dāng)電機(jī)靜止或轉(zhuǎn)速很低時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢的幅值為零或很小，不足以用來確定轉(zhuǎn)子磁極當(dāng)前的位置，所以在無刷直流電機(jī)啟動(dòng)時(shí)不能根據(jù)反電動(dòng)勢進(jìn)行換流。需要采用包括預(yù)定位、加速和自動(dòng)切換三個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的開環(huán)軟啟動(dòng)，克服反電勢過零檢測算法不能夠自起動(dòng)的缺陷。 VHDL三段式同步啟動(dòng)模塊1/0端口如圖8所示。輸入輸出端口IN
elk : (clock) FPGA系統(tǒng)時(shí)鐘50MHz
(direction)轉(zhuǎn)向輸入信號，dir = 0則正轉(zhuǎn)，dir = 1則反轉(zhuǎn)(reset)系統(tǒng)復(fù)位信號，高電平有效
1999D
110，100
dirrstOUT
cl_flag: (closed-loop flag)系統(tǒng)閉環(huán)控制信號，高電平有效
duty_o:(duty of open-loop)系統(tǒng)開環(huán)占空比信號11位，最小為OD，最大為
phase_o : (phase of open-loop)系統(tǒng)開環(huán)相位控制信號3位，000， 001， 011， 111，
state: (state of the system)系統(tǒng)狀態(tài)指示，state = 00B為第一次預(yù)定位，
9state = 01B為第二次預(yù)定位，state = 10B為開環(huán)升速，state = 11B為閉環(huán)調(diào)節(jié)。
(1)預(yù)定位 為保證無刷直流電機(jī)能夠正常啟動(dòng)，首先需要確定轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位置，在輕載條件下，對于具有梯形反電勢波形的無刷直流電機(jī)來說一般采用磁制動(dòng)式的電機(jī)轉(zhuǎn)子定位方式。在系統(tǒng)開始上電時(shí)，任意給定一組觸發(fā)脈沖，在氣隙之中形成一個(gè)幅值恒定，方向不變的磁通，只要保證其幅值足夠大，那么這一脈沖就能在一定時(shí)間內(nèi)將轉(zhuǎn)子強(qiáng)行定位于這個(gè)方向上。定位后，電機(jī)轉(zhuǎn)子d軸與定子繞組磁通方向重合。這樣就確定了電機(jī)轉(zhuǎn)子的初始位置。 但是由于靜止時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的不確定性，如果在定位時(shí)，定子繞組合成磁通與轉(zhuǎn)子d軸夾角為180度，則會產(chǎn)生定位失敗。為了解決這個(gè)問題，我們采用"連續(xù)兩次定位"的方法，在前一次定位的基礎(chǔ)上繼續(xù)導(dǎo)通下一個(gè)狀態(tài)作為第二次定位，這樣不論第一次定位成功或失敗，第二次定位一定是成功的。
(2)開環(huán)升速 三段式同步啟動(dòng)模塊中含有兩個(gè)16位X32的ROM，分別存儲了實(shí)驗(yàn)求出的電機(jī)開環(huán)啟動(dòng)表。 state = 10B時(shí)，系統(tǒng)處于開環(huán)升速階段，三段式同步啟動(dòng)模塊中由兩個(gè)16位X32的ROM中分別讀出占空比和換相時(shí)間信號，并按照換相時(shí)間切換導(dǎo)通的開關(guān)
正轉(zhuǎn)000->001->011->111->110->100->000，
即V1V2->V2V3->V3V4->V4V5->V5V6->V6V1->V1V2 ;
反轉(zhuǎn)000->100->110->111->011->001->000，
即V1V2->V6V1->V5V6->V4V5->V3V4->V2V3->V1V2。 這樣換相時(shí)間逐漸縮短，占空比逐漸增加，到ROM讀空時(shí)，電機(jī)便達(dá)到了設(shè)定的開/閉環(huán)切換轉(zhuǎn)速，此時(shí)電機(jī)的反電勢波形已經(jīng)可以保證穩(wěn)定自控運(yùn)行。
(3)自動(dòng)切換 state = 11B時(shí)，系統(tǒng)切換到自控運(yùn)行階段，cl_flag = l，此時(shí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)IP10核輸出的閉環(huán)占空比和相位信號分別由轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器104和反電勢過零檢測單元102提供。 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器104輸出閉環(huán)占空比給P麗控制器105，反電勢過零檢測單元102輸出閉環(huán)換相信號給P麗控制器105，P麗控制器105再根據(jù)用戶給定的轉(zhuǎn)向信號輸出六路驅(qū)動(dòng)信號Ah、Al、Bh、Bl、Ch、Cl，并通過隔離電路2控制無刷直流電機(jī)4的運(yùn)行。
權(quán)利要求
無位置傳感器無刷直流電機(jī)IP核，其特征在于，無位置傳感器無刷直流電機(jī)IP核包括多路模數(shù)轉(zhuǎn)換接口單元(101)、反電勢過零檢測單元(102)、三段式同步啟動(dòng)模塊(103)、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負(fù)反饋PI調(diào)節(jié)器(104)和PWM控制器(105)，多路模數(shù)轉(zhuǎn)換接口單元(101)，用于將接收到的三相電壓采樣信號發(fā)送給反電勢過零檢測單元(102)；還用于將接收到的母線電流采樣信號發(fā)送給轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負(fù)反饋PI調(diào)節(jié)器(104)；反電勢過零檢測單元(102)，用于接收三相電壓信號，還用于輸出無刷直流電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速信號給轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負(fù)反饋PI調(diào)節(jié)器(104)；三段式同步啟動(dòng)模塊(103)，用于接收系統(tǒng)輸入的轉(zhuǎn)向信號，還用于輸出開環(huán)占空比控制信號、開環(huán)換相信號和開/閉環(huán)控制信號給PWM控制器(105)以實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的軟啟動(dòng)；轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負(fù)反饋PI調(diào)節(jié)器(104)，用于接收系統(tǒng)輸入的啟停信號、輸入轉(zhuǎn)速信號和反電勢過零檢測單元(102)輸出的實(shí)際轉(zhuǎn)速信號，還用于輸出閉環(huán)占空比控制信號給PWM控制器(105)；轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負(fù)反饋PI調(diào)節(jié)器(104)，用于接收啟停信號、輸入轉(zhuǎn)速信號和實(shí)際轉(zhuǎn)速信號，還用于輸出閉環(huán)占空比信號給PWM控制器(105)；PWM控制器(105)，用于接收系統(tǒng)輸入的轉(zhuǎn)向信號、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負(fù)反饋PI調(diào)節(jié)器(104)輸出的閉環(huán)占空比信號、三段式同步啟動(dòng)模塊(103)為實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)軟啟動(dòng)依次輸出的開環(huán)占空比控制信號、開環(huán)換相信號和開/閉環(huán)控制信號和反電勢過零檢測單元(102)輸出的閉環(huán)換相信號，還用于輸出無刷直流電機(jī)控制信號。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無位置傳感器無刷直流電機(jī)IP核，其特征在于，反電勢過零 檢測單元(102)由時(shí)鐘分頻模塊、反電勢相位轉(zhuǎn)換模塊、相位延遲模塊和速度信號生成模 塊四部分組成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無位置傳感器無刷直流電機(jī)IP核，其特征在于，三段式同步 啟動(dòng)模塊(103)包括預(yù)定位、加速和自動(dòng)切換三個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)(4)的開環(huán)軟啟 動(dòng)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無位置傳感器無刷直流電機(jī)IP核，其特征在于，轉(zhuǎn)速電流雙 閉環(huán)負(fù)反饋PI調(diào)節(jié)器(104)在其內(nèi)部對轉(zhuǎn)速、電流進(jìn)行雙閉環(huán)控制，參考量為系統(tǒng)的輸入 轉(zhuǎn)速，反饋量為反電勢過零檢測模塊(102)計(jì)算輸出的實(shí)際轉(zhuǎn)速和多路并行模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣 電路(3)采集的母線電流。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無位置傳感器無刷直流電機(jī)IP核，其特征在于，P麗控制器(105) 進(jìn)行P麗調(diào)制，生成六路橋臂開關(guān)信號用于作為無刷直流電機(jī)(4)的驅(qū)動(dòng)信號。
全文摘要
無位置傳感器無刷直流電機(jī)IP核，屬于電機(jī)控制領(lǐng)域，本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有過零檢測方法中軟件算法的串行性會引入一定的執(zhí)行延時(shí)，而且它還會增加CPU的負(fù)擔(dān)，限制了電機(jī)其它控制任務(wù)的完成；另外，傳統(tǒng)的反電勢過零檢測法僅能在20％以上額定轉(zhuǎn)速以上才能使用，調(diào)速范圍受到很大制約的問題。本發(fā)明的多路模數(shù)轉(zhuǎn)換接口單元接收采樣信號，反電勢過零檢測單元輸出實(shí)際轉(zhuǎn)速及閉環(huán)換相信號，三段式同步啟動(dòng)模塊接收轉(zhuǎn)向信號，并實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負(fù)反饋PI調(diào)節(jié)器接收系統(tǒng)輸入的啟停信號和輸入轉(zhuǎn)速，最后PWM控制器根據(jù)輸入的轉(zhuǎn)向信號及三段式同步啟動(dòng)模塊輸出信號進(jìn)行處理，輸出電機(jī)控制信號控制無刷直流電機(jī)的運(yùn)行。
文檔編號H02P6/18GK101729013SQ20091007328
公開日2010年6月9日 申請日期2009年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月27日
發(fā)明者萬鵬, 李憲全, 楊春玲, 陳宇, 顧春陽 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)