一種基于SPWM的無刷直流電動機驅動新方法
李穎，馬瑞卿，劉冠志，譚博（西北工業大學自動化學院，西安710072）
摘要：方波驅動的無刷直流電動機轉矩脈動較大，而傳統正弦波驅動的無刷直流電動機雖然轉矩脈動小，但系統控制電路復雜，且需要高分辨率的轉子位置傳感器。針對具有Hall位置傳感器的正弦無刷直流電動機，提出了一種利用三相Hall位置信號，通過軟件算法生成六路正弦脈寬調制波來實現正弦波驅動無刷直流電動機的新方法。建模與仿真證明了該方法的在抑制轉矩脈動方面的有效性。
關鍵詞：正弦波驅動；無刷直流電動機；Hall位置信號；正弦脈寬調制
中圖分類號：TM36 +1；tT271+．4 文獻標志碼：A 文章編號：1001-6848（2010】01-0042-04
0引 言
BLDCM的方波驅動以其相對簡單的控制電路、廉價的轉子位置傳感器，得到了廣泛應用。然而，方波驅動BLDCM，電樞磁場含有豐富的諧波分量，轉子磁鋼切割諧波分量，容易引起較大的轉矩脈動。正弦波驅動BLDCM具有轉矩波動小、可聞噪聲低、運行可靠等優點。但傳統的正弦波驅動BLDCM需要高分辨率的轉子位置傳感器，如光學編碼器、旋轉變壓器等，來檢測轉子位置。這些傳感器不但價格昂貴，而且安裝調試復雜[1]。因此，研究開發較為經濟的BLDCM正弦波驅動技術值得關注，用合理可行的方法來取代價格不菲的
光學編碼器值得關注[2]。
針對具有Hall位置傳感器的正弦波BLDCM，提出了一種利用三相Hall位置信號提取正弦波的周期、幅值信與，并根據不規則采樣法數學模型，采用軟件查表與實時計算相結合的方法生成三相SPWM波，再利用一定的換相邏輯輸出六路SPWM信號，進行BLDCM的正弦波驅動，可有效減小轉矩脈動，實現低成本平穩運行。
1 正弦波生成原理
正弦波驅動方法的工作原理如圖1。外部電位計用于期望轉速給定，通過單片機輸入捕獲通道的Hall位置信號實現轉子位置角度的區間檢測和轉速計算，再用生成的六路SPWM信號控制三相橋式逆變器六只功率管的通斷，進而可驅動BLD-CM運行于正弦狀態。
1.1正弦波周期、幅值、相位信號的計算
要實現正弦波驅動BLDCM，首先要提取正弦波的兩個關鍵信號：周期和幅值。由于BLDCM的相電壓與Hall位置信號同周期，因而正弦波周期信號可通過單片機測量輸入捕獲通道的A相Hall位置傳感器信號相鄰兩個上下跳變沿時刻，并進行數據處理得到，如圖2所示。
由于 T= △t =t2 -t1 (1)式中，T正弦波周期的半值(s)；t1下跳變沿時刻(s)；t2上跳變沿時刻(s)。
按照公式(1)，可利用A相Hall位置信號對其半周期值進行實時測量，為了保證計數器不會溢出，在每個T開始時需要將定時器清零。
由于正弦調制波幅值的改變可使得正弦調制波和三角載波的交點也相應改變，從而使SPWM波的占空比改變，進而改變了逆變器輸出電壓。因而用正弦波的幅值變量可設囂電機電流或轉矩的大小，而轉矩的變化對應轉速的變化，因此，可以通過速度環對正弦波幅值進行調控。
當電機運行時，由電位計給定的轉速nref經過A/D轉換后，將得到的有符號小數存放到于變量Reference - speed中。而測量轉速可以下式計算
獲得：
式中，fM為正弦波頻率(Hz)。
由此
式中，nM測量轉速(r/min)；p電機極對數。
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