專利名稱：無位置傳感器無刷直流電機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IP核，屬于電機控制領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
無刷直流電機(Brushless DC Motor,簡稱BLDCM)是梯形波永磁同步電動機的別 稱，其特點是電機中氣隙磁密分布為梯形波，因而電機的反電勢波形和電流波形均為梯形 波。 無刷直流電機與其他各類電動機相比，具有體積小、效率高、出力大、起動轉(zhuǎn)矩大、
過載能力強、動態(tài)特性好、控制容易、靈活、方便等特點?，F(xiàn)已廣泛應用于醫(yī)療、數(shù)控機床、機
器人控制、電動車驅(qū)動和家電應用等領(lǐng)域。高性能的無刷直流電機需要實時檢測轉(zhuǎn)子位置
已實現(xiàn)其自控變頻驅(qū)動，因此產(chǎn)生了各種無刷直流電機轉(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本體的附屬
結(jié)構(gòu)存在，使電機結(jié)構(gòu)進一步復雜化，增加了電機的重量和體積，同時，位置傳感器安裝與
維護困難，是整個無刷直流電機本體結(jié)構(gòu)中最薄弱的環(huán)節(jié)，使無刷直流電機的可靠性降低。
因此，目前，無刷直流電機的無位置傳感器控制成為學者和工程人員研究的熱點。 無位置傳感器的轉(zhuǎn)子位置檢測是通過檢測和計算與轉(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電壓方程法等。 目前，在無刷直流電機轉(zhuǎn)子位置信號無傳感器檢測領(lǐng)域中，反電動勢過零檢測法 由于檢測電路結(jié)構(gòu)簡單，算法亦不復雜，因此發(fā)展最成熟，應用最為廣泛。
對于最常見的兩相導通星形三相六狀態(tài)工作方式，除了換向的瞬間之外，在任何 時刻，電機總有一項繞組處于斷路狀態(tài)。當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。因此，只要檢測到各相繞組反電勢的過零點，就可以確定電機的 轉(zhuǎn)子位置和下次換流時間。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)出電機的中心點電壓來獲得反電勢過零信號的。但是，受重構(gòu)電路準確性的影響，反電勢 過零信號總是存在誤差，造成電機的換相精度較低，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中以軟件方式實現(xiàn)過零檢測及驅(qū)動控制一度成為研究熱點。但是， 軟件算法的串行性又會引入一定的執(zhí)行延時，而且它還會增加CPU的負擔，限制了電機其 它控制任務的完成。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，而且它還會增加CPU的負擔，限制了電機其它控制任務的完成；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、三段式同步啟動模塊、 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負反饋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的實際 轉(zhuǎn)速信號給轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負反饋PI調(diào)節(jié)器； 三段式同步啟動模塊，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麗控制器以實現(xiàn)無刷直流電機的軟啟動；
轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負反饋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、三段式同步啟動模塊為實現(xiàn)無刷直流電機軟啟動依次輸出的開環(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控制信號。 本發(fā)明的優(yōu)點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 行檢測和運行所帶來的延遲；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，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IP核的總體結(jié)構(gòu)示意圖，圖3是電機轉(zhuǎn)速為220Rpm 時換向信號波形與A、 B、 C三相反電勢波形圖，圖4是電機輸入轉(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，正負兩個輸入信號 對應曲線，圖6是反電勢與開關(guān)管工作順序波形圖，圖7是電機正轉(zhuǎn)時的反電勢波形圖及相 位轉(zhuǎn)換示意圖，圖8是VHDL三段式同步啟動模塊1/0端口示意圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一 下面結(jié)合圖l至圖8來說明本實施方式，本實施方式無位置傳感 器無刷直流電機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 式同步啟動模塊103、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負反饋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的實 際轉(zhuǎn)速信號給轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負反饋PI調(diào)節(jié)器104 ; 三段式同步啟動模塊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以實現(xiàn)無刷直流電機的軟 啟動； 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負反饋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、三段式同步啟動模塊103為實現(xiàn)無刷直流電機軟啟動依次輸 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控制信號驅(qū)動無刷直流電機運行。
本實施方式所述的無位置傳感器無刷直流電機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)建及應用于控制無刷直流電機的總體示意圖如圖2所示。
無刷直流電機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IP核10 的采樣信號端相連，每個無位置傳感器無刷直流電機IP核10的輸出端與一個隔離電路2 的輸入端相連，每個隔離電路2的輸出端與一個無刷直流電機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
性和獨到的外圍電路設(shè)計使其能很好的適用于本系統(tǒng)的信號采集工作 (1) AD73360具有六個獨立的模擬量輸入通道，每個通道可同時采樣，消除了普通
AD因?qū)Χ嗦沸盘柕姆謺r采樣而造成的相位誤差，可實時地采樣電機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)計更為精簡。 (2)AD73360使用六線工業(yè)標準同步串行接口 ，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以64KHz速率采樣)，使其與無位置傳感器無刷直流
電機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行
同時采樣，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。這是直流無刷電機無位置傳感器驅(qū)動的一大創(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的總線傳達給無位置傳感器無刷直流電機 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，當下達采樣指令 時，無位置傳感器無刷直流電機IP核10將采樣指令傳達給數(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)動無刷直流電機4運行。 我們對直流無刷電動機驅(qū)動器的性能進行了測試。
(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與實際轉(zhuǎn)速n*對比。 表1輸入轉(zhuǎn)速n與實際轉(zhuǎn)速n*對比
輸入轉(zhuǎn)速 /Rpm125200400800100012001400160020003000
實際轉(zhuǎn)速 /Rpm125200401800匪11991397160520043001 經(jīng)檢測，系統(tǒng)達到并超過了預定的技術(shù)指標 V可控制電機轉(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%。 電機正轉(zhuǎn)且轉(zhuǎn)速為220Rpm時，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確且無明顯相移。
(2)動態(tài)參數(shù)測定 由于直流無刷電動機的結(jié)構(gòu)所限，電機調(diào)速時突加給定的暫態(tài)轉(zhuǎn)速波形難以測 量。于是我們另外設(shè)計了一個小模塊，在FPGA1內(nèi)部以0.2s的時間間隔對無位置傳感器無 刷直流電機IP核10計算出的實際轉(zhuǎn)速n*進行采樣，并將結(jié)果存在RAM中已備調(diào)用。電機 在t = 5s時由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，另一條為實際轉(zhuǎn)速W曲線?？梢钥闯觯贂r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，但比較復雜的功能塊，如FIR濾 波器、SDRAM控制器、PCI接口等設(shè)計成可修改參數(shù)的模塊。IP核的重用是設(shè)計人員贏得迅 速上市時間的主要策略。隨著CPLD/FPGA的規(guī)模越來越大，設(shè)計越來越復雜，設(shè)計者的主要 任務是在規(guī)定的時間周期內(nèi)完成復雜的設(shè)計。調(diào)用IP核能避免重復勞動，大大減輕工程師 的負擔，因此使用IP核是一個發(fā)展趨勢。 根據(jù)無刷直流電機控制方法的分析結(jié)果，可以設(shè)計出實現(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4發(fā)出驅(qū)動信號，同時接收無刷直流電 機4的實際轉(zhuǎn)速n，無位置傳感器無刷直流電機IP核10主要由模數(shù)轉(zhuǎn)換接口單元101 (用 于A/D73360驅(qū)動)、反電勢過零檢測單元102、三段式同步啟動模塊103、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負 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 模塊103憑借預定位、加速和自動切換三個環(huán)節(jié)實現(xiàn)電機的開環(huán)軟啟動，克服反電勢過零 檢測算法不能夠自起動的缺陷。轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負反饋PI調(diào)節(jié)器104在其內(nèi)部對轉(zhuǎn)速、電 流進行雙閉環(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 算的實際轉(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。實際轉(zhuǎn)速n經(jīng)轉(zhuǎn)速電流 雙閉環(huán)負反饋PI調(diào)節(jié)器104的PI調(diào)節(jié)后輸出，再進入P麗控制器105進行P麗調(diào)制后輸 出六路橋臂開關(guān)信號，驅(qū)動被控的無刷直流電機4。 無位置傳感器無刷直流電機IP核10正常工作時，首先由NOIS II軟核11發(fā)出 控制信號，使三段式同步啟動模塊103開始工作，并將轉(zhuǎn)向信號送入三段式同步啟動模塊 103。此時，無刷直流電機4處于開環(huán)啟動階段，由三段式同步啟動模塊103對其內(nèi)部設(shè)定 的換相時間和占空比向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MOS開關(guān)管對無刷直流電機4進行控制， 使無刷直流電機4由靜止在設(shè)定的時間內(nèi)達到開環(huán)和閉環(huán)的切換轉(zhuǎn)速。而后，三段式同步 啟動模塊103發(fā)出閉環(huán)控制信號，使無刷直流電機4進入閉環(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進行控制，并且接受串行輸入的無刷直 流電機4的三相電壓Ua、Ub、Uc和母線電流I信號，并將這四個信號由串轉(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行數(shù)字濾波、計算，轉(zhuǎn)變成具有較高穩(wěn)定性的電機反電勢信號。對 反電勢信號的過零信號進行數(shù)字限速濾波、移相、補償，得到最終的無刷直流電機4的換相 信號，提供給P麗控制器105以實現(xiàn)自控變頻；同時，反電勢過零檢測單元102利用得到的 換相信號進行電機的M/T法測速，將電機的實際轉(zhuǎn)速分別送往轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負反饋PI調(diào) 節(jié)器104用于自動控制及送往無位置傳感器無刷直流電機IP核10接口反回給NOISII軟 核11。轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負反饋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)動信號控制無刷直流電機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)，它具有六個獨立 的模擬量輸入通道，每個通道可同時采樣，消除了普通AD因?qū)Χ嗦沸盘柕姆謺r采樣而造成 的相位誤差，可實時地采樣無刷直流電機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，需要對信號進行電平調(diào)整，其電路復雜，精度 難以保證，對反電勢信號的處理有很大影響。本設(shè)計采用交流耦合方式，使采樣信號以AD 基準電壓1. 25V為中心上下變化。交流耦合濾掉了無用的直流分量，使反電勢的過零點與 AD基準電壓重合，如圖5所示，圖5中VREF為AD73360的基準電壓，在3. 3V電源時為1. 25V ; VINP為輸入通道正端的模擬輸入；VINN為輸入通道負端的模擬輸入，圖5說明了 AD73360 在3. 3V電源電壓單端輸入時的輸入輸出關(guān)系。AD73360的單端輸入，VINN接到REFOUT端， 為VREF = 1. 25V。簡化了 FPGA對反電勢過零點的檢測算法；采樣信號以基準源為對稱中心，最大限度的降低了基準不穩(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
受串行輸入的電機的三相電壓和母線電流信號，并將這四個信號由串轉(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4啟動后，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4的轉(zhuǎn)速及氣隙磁場B。而當轉(zhuǎn)子極性改變時，反電勢波形的正負也隨著改變。所以只要測出反電勢波形的過零點，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4的換相。無刷直流電機4反電勢與理想的開關(guān)管工作順序如圖6所示。[OOM] (1)時鐘分頻模塊 時鐘分頻模塊將50腿z的系統(tǒng)時鐘經(jīng)過500分頻得到100kHz的時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)計算得到反電勢信號。再由反電勢信號的過零點得到初步的換相信號。 <U=C/6—*(t/a+t/c)
n會("。+") 電機正轉(zhuǎn)時的反電勢及相位轉(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 X)時abc[2] = 1， ea < 0時abc [2]=0 ;當eb > 0時abc[l] = 1， eb < 0時abc[l] = 0 ;當ec > 0時abc[O] = 1， ec < 0時abc[O] =0。由此我們可得abc信號在電機電角度轉(zhuǎn)過360度時，經(jīng)過了 100， 110，010，011，OOl，lOl六個狀態(tài)，這六個狀態(tài)分別對應著phase」和phase_c的六個狀態(tài)000， 001， 011，111，110，100。 (3)相位延遲模塊 相位延遲模塊實現(xiàn)了由phase」到phaSe_C信號的轉(zhuǎn)換，同時向速度信號生成模塊提供頻率與電機轉(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)嵌了一個改進的FIPS(頻率無關(guān)移相)數(shù)字移相器用于實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。另外，為了補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行了仿真，并且將實驗得到的不同頻率對應的角度預先放入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轉(zhuǎn)速成比例的脈沖信號flag6對電機進行M/
T法測速。M/T法(頻率/周期法)是同時測量檢測時間和在此檢測時間內(nèi)轉(zhuǎn)速脈沖信號
的個數(shù)來確定轉(zhuǎn)速。由于同時對兩種脈沖信號進行計數(shù)，因此只要"同時性"處理得當，M/
T法在高速和低速時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，既記錄測速時間內(nèi)輸出的脈沖
數(shù)Mp又檢測同一時間間隔內(nèi)高頻時鐘脈沖數(shù)M2。設(shè)高頻時鐘脈沖的頻率為f。，則測速時間
Tt = M2/f。。習慣上轉(zhuǎn)速常以每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)來表示，則電機的轉(zhuǎn)速可表示為
60M! 60M乂 ， ， 、
" == J 。 (r/min) 式中，Z為電機每轉(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及前述算法，電機每轉(zhuǎn)一圈轉(zhuǎn)過的電角度為
6*360度，每360電角度中flag6產(chǎn)生一個脈沖。因此Z二6。高頻時鐘脈沖由FPGA系統(tǒng)
時鐘充當，為50MHz。因此，速度產(chǎn)生模塊中使用的計算公式具體為
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4的換相。經(jīng)過反電勢過零檢測單元102計算出實際轉(zhuǎn)速n，實際轉(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)負反饋PI調(diào)節(jié)器104。 為了精確定位無刷直流電機4的轉(zhuǎn)子磁極的位置，本發(fā)明采用三段式同步啟動模塊103， 在無刷直流電機中，定子繞組中的感應電動勢與轉(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正是基于這一原理工作的。而反電勢的幅值與電機的轉(zhuǎn)速成正比。當電機靜止或轉(zhuǎn)速很低時，感應電動勢的幅值為零或很小，不足以用來確定轉(zhuǎn)子磁極當前的位置，所以在無刷直流電機啟動時不能根據(jù)反電動勢進行換流。需要采用包括預定位、加速和自動切換三個環(huán)節(jié)實現(xiàn)電機的開環(huán)軟啟動，克服反電勢過零檢測算法不能夠自起動的缺陷。 VHDL三段式同步啟動模塊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為第一次預定位，
9state = 01B為第二次預定位，state = 10B為開環(huán)升速，state = 11B為閉環(huán)調(diào)節(jié)。
(1)預定位 為保證無刷直流電機能夠正常啟動，首先需要確定轉(zhuǎn)子的當前位置，在輕載條件下，對于具有梯形反電勢波形的無刷直流電機來說一般采用磁制動式的電機轉(zhuǎn)子定位方式。在系統(tǒng)開始上電時，任意給定一組觸發(fā)脈沖，在氣隙之中形成一個幅值恒定，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間內(nèi)將轉(zhuǎn)子強行定位于這個方向上。定位后，電機轉(zhuǎn)子d軸與定子繞組磁通方向重合。這樣就確定了電機轉(zhuǎn)子的初始位置。 但是由于靜止時電機轉(zhuǎn)子位置的不確定性，如果在定位時，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)導通下一個狀態(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 三段式同步啟動模塊中含有兩個16位X32的ROM，分別存儲了實驗求出的電機開環(huán)啟動表。 state = 10B時，系統(tǒng)處于開環(huán)升速階段，三段式同步啟動模塊中由兩個16位X32的ROM中分別讀出占空比和換相時間信號，并按照換相時間切換導通的開關(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。 這樣換相時間逐漸縮短，占空比逐漸增加，到ROM讀空時，電機便達到了設(shè)定的開/閉環(huán)切換轉(zhuǎn)速，此時電機的反電勢波形已經(jīng)可以保證穩(wěn)定自控運行。
(3)自動切換 state = 11B時，系統(tǒng)切換到自控運行階段，cl_flag = l，此時電機驅(qū)動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)動信號Ah、Al、Bh、Bl、Ch、Cl，并通過隔離電路2控制無刷直流電機4的運行。
權(quán)利要求
無位置傳感器無刷直流電機IP核，其特征在于，無位置傳感器無刷直流電機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)、三段式同步啟動模塊(103)、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負反饋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的實際轉(zhuǎn)速信號給轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負反饋PI調(diào)節(jié)器(104)；三段式同步啟動模塊(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)以實現(xiàn)無刷直流電機的軟啟動；轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負反饋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、三段式同步啟動模塊(103)為實現(xiàn)無刷直流電機軟啟動依次輸出的開環(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IP核，其特征在于，反電勢過零 檢測單元(102)由時鐘分頻模塊、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IP核，其特征在于，三段式同步 啟動模塊(103)包括預定位、加速和自動切換三個環(huán)節(jié)實現(xiàn)無刷直流電機(4)的開環(huán)軟啟 動。
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IP核，其特征在于，轉(zhuǎn)速電流雙 閉環(huán)負反饋PI調(diào)節(jié)器(104)在其內(nèi)部對轉(zhuǎn)速、電流進行雙閉環(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)計算輸出的實際轉(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IP核，其特征在于，P麗控制器(105) 進行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(4)的驅(qū)動信號。
全文摘要
無位置傳感器無刷直流電機IP核，屬于電機控制領(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，而且它還會增加CPU的負擔，限制了電機其它控制任務的完成；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際轉(zhuǎn)速及閉環(huán)換相信號，三段式同步啟動模塊接收轉(zhuǎn)向信號，并實現(xiàn)電機軟啟動，轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負反饋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模塊輸出信號進行處理，輸出電機控制信號控制無刷直流電機的運行。
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