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NEWS / 詳細信息  
 
用于無刷電機旋轉測量的無傳感器型控制
添加時間: 2012-4-5 10:23:41 來源: 作者: 點擊數:2328
在家用電器、供暖、通風、空調)和汽車應用中,DC無刷電機及其驅動器的使用率越來越高。造成這種現象的原因是其所擁有的高效、可靠、緊湊、低維護等級以及低噪聲等優點,而這些都將轉化為成本的節省。

  家用電器常常運用傳統技術,比如帶有起動電容的AC磁阻單相電機和通用式電機。所有這些解決方案采用AC供電方式,工作速度都是恒定不變的,而且并未關注效率。

  如今,客戶所提出的要求越來越多,他們渴望擁有改良型功率分配方案、更加優越的性能以及更低的噪聲電平:傳統技術的局限性正日益凸顯出來。

  同時,市場競爭對能量-效率比提出了新的更高要求,用戶在挑選家用電器時,除了產品的價格之外,還會對其能耗等級和噪聲電平等特征加以比較。

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  圖1 永磁轉子和定子

  基本原理

  無刷DC電機的工作原理非常簡單。這種電機基于一個裝有永久磁鐵的轉子和一個安裝了三個相距120°的繞組的定子。三相逆變器按正確的順序來驅動繞組,并生成一個用于對轉子進行“磁推動”旋轉磁場。逆變器根據轉子的位置在繞組的6個不同的時間段里發生極化。轉子的位置可采用位置傳感器或機械式開關以不同的方式讀出,也可以采用由轉子位置所產生的磁場來估計。后一種方法被稱為“反向EMF”。

  顯然,虛擬傳感器具有多項優點,即:免除了相關的費用,而且,與霍爾效應傳感器截然不同是,它不會破損。這就意味著可靠性和效率的提高以及重量和體積的減小。

  但是,這種無傳感器型解決方案需要進行更加復雜的處理,以精確估測 轉子的位置,或對繞組的6個起動相位進行正確的驅動。

  在每一轉的6相中,每次只對兩個繞組進行供電。第三個繞組(也是唯一未被施加偏壓的繞組)正是允許讀出由轉子旋轉所產生的電壓以及其位置的繞組。

  控制完全依賴于使定子的驅動相位與讀出操作之間保持一個規定的恒定距離(用角度來表示)。

  事實上,控制本身并沒有任何特殊的要求,但是設計師不得不面對源自高電流的噪聲問題。因此,必須對反向EMF讀出電平進行補償和濾波處理,以降低噪聲電平。總之,控制系統的效率依存于準確獲知轉子位置以及正確驅動繞組相位的能力。但是濾波器增加了一個取決于信號頻率和轉速的固有相移。

  在濾波過程中,如果產生了一個與速度有關的相位誤差(隨后是一個非恒定誤差),那么在啟動條件下將遭遇失敗。也就是說,將無法獲悉轉子的確切位置。

  為了解決這一問題,可以采用針對不同轉速的相應濾波器,從而優化相位誤差校正。通常,該解決方案需要巨大的處理能力,而這種處理能力只能由DSP或基于分立元件的可配置濾波器來提供。但是,這些濾波器需要使用大量的外部元件。

  PSoC

  為此,賽普拉斯推出的創新方案,并非基于傳統型微控制器,而是一款先進的可編程系統級芯片—PSoC(見圖1),通過PSoC嵌入式基本組件、運算放大器和開關電容器,可以構建所有必需的外設。用戶可根據自己的需要來選擇低通濾波器拓撲結構如Butterworth、Bessel和Chebechev,這些濾波器的特點各不相同。

  對于本文所討論的應用,低通Bessel濾波器提供了一個與交換值頻率成比例的相移:這使得對相移的影響盡可能地小,而它是與濾波信號關聯度最高的特性。

  由于本文所涉及的應用的主要的目標是獲知轉子的位置。因此PSoC的第二個特性相當重要。低通Bessel濾波器的相移取決于信號的頻率,并在逐漸接近濾波器本身的交叉頻率時發生變化。在PSoC中,濾波器基于開關電容,因此,濾波器特性(主要是相移)可在濾波器的交叉頻率發生變化時保持恒定。這種解決方案是采用標準分立元件所無法實現的,而如果采用PSoC,這就轉化成了濾波器模擬塊上的一個簡單的開關頻率漂移。顯然,如果用戶把該頻率漂移與通過給定子相位供電來驅動的旋轉磁場的頻率聯系起來,就能夠成功地解決這個問題:對反向EMF信號的讀出電平進行濾波,而且,濾波器的交叉頻率是隨著轉速而線性移動的,因此由于對于所有的速度,濾波操作的相移都是恒定的。

  PSoC架構的固有靈活性再次使得能夠對此問題進行詳細的分析,從而造就了一種理想的解決方案。該解決方案可在任何架構約束條件下得以實現。


 
     
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