基于單周期控制的PWM電流控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

明　鑫

廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)與電子信息工程系，南寧530226

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基于單周期控制的PWM電流控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

明鑫*

廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)與電子信息工程系，南寧530226

摘要：針對無刷直流電機(jī)（BLDC）驅(qū)動(dòng)器的電流控制問題，提出了一種改進(jìn)的基于單周控制的低成本轉(zhuǎn)子位置估算方法。該估算方法以真實(shí)反電勢過零點(diǎn)的檢測為依據(jù)，這些真實(shí)反電勢過零點(diǎn)可直接通過檢測相端和直流環(huán)節(jié)中點(diǎn)之間的電壓來提取，無需電機(jī)中性點(diǎn)電壓。電流控制系統(tǒng)通過一種低成本的通用自動(dòng)電壓調(diào)整微控制器（Atmega8）來實(shí)現(xiàn)。MATLAB仿真和實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果均顯示相比傳統(tǒng)的滯環(huán)控制器方法，改進(jìn)后的PWM（脈沖寬度調(diào)制）無刷直流電機(jī)電流控制系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩種情況下表現(xiàn)出更好的性能。

關(guān)鍵詞：無刷直流電機(jī)；單周控制；無位置傳感器控制；AVR微控制器；脈沖寬度調(diào)制

無刷直流電機(jī)具有高效率、高功率密度、易于控制和維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此它們廣泛應(yīng)用于汽車、計(jì)算機(jī)、工業(yè)及家用產(chǎn)品［1］。對于正弦供電交流電機(jī)如感應(yīng)和永磁同步電機(jī)，已經(jīng)開發(fā)了磁場定向控制，該種控制方法在電力牽引應(yīng)用中提供了高動(dòng)態(tài)性能［2］。然而，這種控制方法需要大量的計(jì)算，并且由于其自身原因不能用于非正弦交流電機(jī)，例如具有梯形反電勢的無刷直流電機(jī)［3］。

傳統(tǒng)的無刷直流電機(jī)是通過直流環(huán)節(jié)電流調(diào)節(jié)方法進(jìn)行控制的，只使用一個(gè)電流傳感器作為直流電機(jī)，這是無刷直流電機(jī)相比其他交流電機(jī)所具有的主要優(yōu)勢。通常滯環(huán)控制器用來調(diào)節(jié)電流，而不使用比例積分控制器。滯環(huán)控制器使用簡單，但具有可變開關(guān)頻率并且導(dǎo)致高頻脈動(dòng)。研究人員已經(jīng)提出一些固定頻率PWM方法，以提高電流調(diào)節(jié)的性能。本文通過使用單周控制方法已經(jīng)解決了在無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中的傳統(tǒng)滯環(huán)電流控制器的問題。單周控制方法是一種大信號非線性控制方案，具有快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)、優(yōu)秀電源抗干擾和自動(dòng)切換誤差消除的顯著優(yōu)勢。要提供無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中的換相信號，需要轉(zhuǎn)子位置。采用軸角編碼器增加了系統(tǒng)尺寸、成本和維護(hù)難度。因此，在制造過程中，在無刷直流電機(jī)的內(nèi)部采用了3個(gè)霍爾效應(yīng)位置傳感器。但是，由于可能會(huì)造成永久性損壞的高溫和振動(dòng)，轉(zhuǎn)子位置傳感器具有一些缺點(diǎn)［4］。此外，如果霍爾效應(yīng)傳感器失效，應(yīng)對無刷直流電機(jī)進(jìn)行拆卸和修理，而在使用編碼器的情況下，無需拆卸無刷直流電機(jī)。

基于這些事實(shí)，采用無位置傳感器的方法不僅可降低驅(qū)動(dòng)器的成本，而且可增加驅(qū)動(dòng)器的可靠性。文獻(xiàn)［5］已經(jīng)提出了無刷直流電機(jī)無位置傳感器操作的各種方法［5］。由于其簡單性、易于實(shí)施并且成本更低，基于反電勢的無位置傳感器方法是最受歡迎的［6-7］。本文提出了一種改進(jìn)的基于單周控制方法的無位置傳感器無刷直流電機(jī)PWM電流控制系統(tǒng)，以調(diào)節(jié)直流環(huán)節(jié)電流。單周控制利用開關(guān)變換器的脈沖和非線性性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)一個(gè)開關(guān)變量的平均值的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)控制。

1　單周控制原理

單周控制方法是一種PWM控制方法［8-9］。它也稱為積分復(fù)位方法，其中，關(guān)鍵要素是復(fù)位積分。單周控制方案由控制器、比較器、多比特積分器和時(shí)鐘組成，如圖1所示。K1和K2是互補(bǔ)模擬開關(guān)對。K1由函數(shù)K(t)控制：

其中，TS是時(shí)鐘周期，開關(guān)頻率fS為1/TS（fS=1/Ts）。

圖1　單周期控制方法示意圖

如圖2所示，在每個(gè)周期中，開關(guān)打開的持續(xù)時(shí)間為ton，開關(guān)關(guān)閉的持續(xù)時(shí)間為toff，而TS=ton+toff。占空比（d=ton/TS）由一個(gè)模擬控制參考電壓Vref來調(diào)節(jié)。該電壓從偶遇電阻器的電壓獲得，該電阻器與直流環(huán)節(jié)線路串聯(lián)。在每個(gè)開關(guān)周期中，送出時(shí)鐘脈沖信號，從而使K1處于導(dǎo)通狀態(tài)，K2處于非導(dǎo)通狀態(tài)，并且積分器開始為信號xo(t)工作。而Vint的積分達(dá)到Vref：

比較器輸出翻轉(zhuǎn)通過控制器使K1處于非導(dǎo)通狀態(tài)，K2處于導(dǎo)通狀態(tài)，并且立刻重置了積分器。由于開關(guān)頻率是恒定的，x(t)等于xo(t)的平均值：

其中，K等于RC/TS。在開關(guān)輸入節(jié)點(diǎn)的輸入信號xo(t)經(jīng)過斬波處理并形成開關(guān)變量x1(t)輸出。開關(guān)變量x1(t)的頻率和脈寬等于開關(guān)函數(shù)k(t)。由于開關(guān)周期是恒定的，輸出電壓的平均值正好等于每個(gè)周期中的參考信號。因此，開關(guān)變量的平均值在一個(gè)周期內(nèi)是瞬時(shí)控制的。對于恒定的開關(guān)周期TS，系數(shù)（K=1/kTS）也是恒定的。采用所提出的方法并通過開關(guān)變量的平均值實(shí)現(xiàn)線性控制，對于每個(gè)開關(guān)周期，開關(guān)變量的平均值與參考信號相等或成比例。

圖2　單周控制脈沖

2　提出的BLDC驅(qū)動(dòng)電流控制系統(tǒng)

使用單周控制方法的無刷直流電機(jī)控制的示意圖示于圖3。該控制系統(tǒng)由控制單元（數(shù)字單周控制控制器和門信號發(fā)生器）、金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管、反電勢檢測電路和電池組成［10］。在該無位置傳感器控制方案中，通過反電勢電壓的過零檢測來識別換相瞬間，并且利用開環(huán)方法來啟動(dòng)電機(jī)。

圖4示出了無刷直流電機(jī)的啟動(dòng)順序，該電機(jī)包括3種序列。在對齊序列中，給兩個(gè)開關(guān)T4和T5通足夠時(shí)間的電，電機(jī)將移動(dòng)到觀測的位置，并且電流進(jìn)入相位C和B。隨后，轉(zhuǎn)子保持在一個(gè)已知的位置，坡道序列以正確的方向和合適的電流和頻率以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的方式驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)。在開環(huán)加速期間禁止使用反電勢過零比較器直到達(dá)到低閾值速度。經(jīng)過一定數(shù)量的過零點(diǎn)檢測，無位置傳感器控制系統(tǒng)應(yīng)用在運(yùn)行序列。

圖3　所提出的基于單周控制方法的無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖

圖4　無位置傳感器控制的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的開環(huán)啟動(dòng)序列

2.1改進(jìn)的反電勢檢測方法

圖5示出了無刷直流電機(jī)的反電勢波形，該電機(jī)只有兩相是導(dǎo)電的。反電勢過零可以通過對反電勢信號與VDC/2進(jìn)行比較來估算［11］。延遲30°的反電勢過零是真正的換相點(diǎn)。

圖5　反電勢電壓器操作示意圖

由于高頻PWM脈沖的作用，反電勢信號是嘈雜的，可能會(huì)導(dǎo)致不需要的過零點(diǎn)檢測和位置估算誤差，而這些不需要的過零點(diǎn)檢測和位置估算誤差會(huì)造成一些換相脈動(dòng)甚至故障。因此，應(yīng)通過軟件中足夠的信號調(diào)理或過濾來避免噪聲，并覆蓋過零點(diǎn)中斷，這些中斷會(huì)在換相后發(fā)生。

如圖6所示，通過在換相后屏蔽15°時(shí)的中斷（禁止閱讀過零點(diǎn)中斷），采納了該技術(shù)和微控制器的定時(shí)器1。屏蔽的中斷鎖定由反電勢電壓的噪聲引起的不需要的中斷。該技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于當(dāng)過零點(diǎn)中斷錯(cuò)過時(shí)能夠自動(dòng)進(jìn)行過零點(diǎn)校正。當(dāng)過零點(diǎn)中斷錯(cuò)過時(shí)，定時(shí)器繼續(xù)計(jì)數(shù)到60°，然后換相立即變化。否則，換相后，定時(shí)器計(jì)數(shù)到30°并等待過零點(diǎn)中斷，在這之后，換相發(fā)生改變。定時(shí)器的值是從兩個(gè)真正的檢測到的過零中斷之間的間隔時(shí)間計(jì)算出的。

圖6　改進(jìn)的反電勢過零點(diǎn)檢測的主控制流程圖

3　模擬仿真結(jié)果

本文進(jìn)行了一些模擬結(jié)果以評價(jià)所提出的單周控制方法并將其與滯環(huán)電流控制方法進(jìn)行比較。模擬和實(shí)驗(yàn)工作均采用了直流環(huán)節(jié)電流控制。表1給出了所采用的無刷直流電機(jī)的參數(shù)。在20%滿負(fù)荷下，當(dāng)速度為120 rad/min時(shí)，研究人員對滯環(huán)和單周控制電流控制器的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了比較，如圖7所示。單周控制方法產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于滯環(huán)控制方法產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。單周控制方法的開關(guān)頻率設(shè)置為16.2 kHz，等于滯環(huán)控制器的最大開關(guān)頻率。圖8示出了速度為120 rad/min時(shí)的相電流波形。ea，eb和ec電壓的過零檢測器產(chǎn)生3個(gè)位置信號，且在延遲30°后用于識別換相瞬間。換相時(shí)的電壓尖峰是這些方法中換相誤差的主要來源，其導(dǎo)致過零周圍電壓函數(shù)的快速轉(zhuǎn)換。

表1　無刷直流電機(jī)參數(shù)

圖7　控制方法比較

圖8　單周控制方法下，速度為120 rad/min時(shí)的相電流信號和虛擬霍爾傳感器信號的波形

4　實(shí)際測試結(jié)果

圖9顯示了實(shí)驗(yàn)工作的硬件實(shí)現(xiàn)。.

圖9　無位置傳感器控制的無刷直流電機(jī)電流控制系統(tǒng)

整個(gè)系統(tǒng)通過一個(gè)小型廉價(jià)的自動(dòng)電壓調(diào)整微控制器（Atmega8）進(jìn)行控制［12］?？刂泼钣蒊R2104柵極驅(qū)動(dòng)器放大。相電流通過Rsens電阻（0.22 W-5 W）測定，該電阻與直流環(huán)節(jié)線路串聯(lián)。逆變器的開關(guān)選用金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管IRF3205，主要參數(shù)為VDSS=55 V，ID=110 A，RDS（ON）＜8 mW。在本研究中，電阻分壓器用來測量電壓，無位置傳感器方法需要電壓。通過硬件電路進(jìn)行過零檢測并生成虛擬位置信號。采用的無刷直流電機(jī)的額定功率為375 W。對于單周控制方法，微控制器中產(chǎn)生的脈沖的頻率設(shè)定為16.2 kHz。如前所述，開環(huán)啟動(dòng)算法用來啟動(dòng)電機(jī)。強(qiáng)制對齊序列需要時(shí)間約為100 ms。圖10分別顯示了單周控制方法和滯環(huán)控制器在20%滿負(fù)荷下當(dāng)速度為120 rad/min時(shí)的電流波形。當(dāng)采用無位置傳感器控制時(shí)，單周控制方法中的脈動(dòng)電流小于滯環(huán)方法中的脈動(dòng)電流。

圖11顯示了對其中一個(gè)開關(guān)的柵極所施加的脈沖和估計(jì)霍爾傳感器信號，結(jié)果表明單周控制方法可實(shí)現(xiàn)恒定頻率（T1=T2）。為了驗(yàn)證單周控制方法的性能更好，研究人員采用振動(dòng)傳感器（壓電）來測量噪聲。壓電晶體直接將機(jī)械應(yīng)力轉(zhuǎn)換成電荷。壓電聲波傳感器施加振蕩電場以產(chǎn)生機(jī)械波，該機(jī)械波通過基體傳播，然后轉(zhuǎn)換成電場。

圖10　

圖11　速度為120 rad/min時(shí)的柵極脈沖和估計(jì)霍爾傳感器信

圖12顯示了滯環(huán)電流控制方法和單周控制方法在速度為120 rad/min時(shí)的噪聲和快速激烈變換波形。滯環(huán)電流控制方法中諧波的幅值高于單周控制方法中諧波的幅值。

圖12　速度為120 rad/min時(shí)的柵極脈沖和估計(jì)霍爾傳感器信

5　結(jié)論

本研究提出了一種低成本的基于單周控制的PWM電流控制系統(tǒng)?；趩沃芸刂品椒ǖ慕y(tǒng)一控制器和PWM調(diào)制器已經(jīng)取代滯環(huán)電流控制。單周控制方法利用傳統(tǒng)電流控制器的簡易性優(yōu)勢以及比例積分控制器的優(yōu)勢，用來調(diào)節(jié)直流環(huán)節(jié)的電流。此外，還為所采用的單周控制方法開發(fā)了一種改進(jìn)的基于反電勢電壓過零點(diǎn)檢測的無位置傳感器控制方法。

提出的基于單周控制的無位置傳感器無刷直流電機(jī)電流控制系統(tǒng)與其他技術(shù)相比，單周電流控制以及改進(jìn)的簡單的無位置傳感器控制方法需要較低的計(jì)算量，因此可以采用低成本微控制器。并且由于控制在單周內(nèi)進(jìn)行，所開發(fā)的電流控制器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)類似于滯環(huán)控制器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，比傳統(tǒng)的比例積分控制器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快。通過單周控制方法的恒定頻率和較低的開關(guān)頻率來實(shí)現(xiàn)了低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲。

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明鑫（1983-），男，漢族，廣西南寧人，碩士，講師，主要研究方向?yàn)樽詣?dòng)控制技術(shù)，ming_xin55@126.com。

Laser Ultrasonic Displacement Detection Technology Based on Heterodyne Interference*

SI Gaolu1*，ZHANG Zhiwei1，2，3

（1.College of Information and Communication Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Science and Technology on Electronic Test & Measurement Laboratory，North University of China，Taiyuan 030051，China；3.Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China）

Abstract:Laser ultrasonic vibration displacement is in the nanometer level. In order to detect weak signal of laser ultrasonic，heterodyne interferometer system requires higher sensitivity. In order to improve the measurement preci?sion，the optical path has been improved. The double light path heterodyne interferometer enhances anti-interfer?ence capability of system，the lens are used to enhance the light gathering power of the interferometer，Increasing the flux of interferometer，so it can improve the precision of measurement. The filter is installed in front of photoelec?tric detector，filter thestray light and improve the system signal-to-noise ratio. By high-frequency ultrasonic experi?mental verification，the displacement resolution of the system can reach 0.1 nm.

Key words:Nanometer displacement；Heterodyne interferometer；Laser ultrasound；Focusing

doi：EEACC：7820；436010.3969/j.issn.1005-9490.2016.01.025

收稿日期：項(xiàng)目來源：2013年度廣西高校科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（2013YB296）2015-04-06修改日期：2015-05-05

中圖分類號：TM571.65；TP332

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1005-9490(2016)01-0118-06