基于CPLD的反电势过零检测电路设计与应用
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Key words:BEM F; BLDCM; sensorless; CPLD
0 引 言
医疗牙钻的使用环境对电机有以下要求 :卫生
要求高 ,需经常进行消毒处理 ;空气中酒精浓度比较
高 ,不应产生换向火化 ;周围其它电子设备较多 ,电
磁噪声小 ; 器械体积小 、手握性好 ,并且发热小等 。
无刷直流电动机没有换向火花 ,电磁噪声较小 ,并且
COUNT有关的相位补偿表 ,如表 1所示 。
表 1 相位补偿表
电机转速 / ( r·m in - 1 ) 0～6 000
6 000～8 400 8 400～10 800 10 800～13 800 13 800～18 000 18 000～21 000 21 000～24 000 24 000～27 000 27 000～30 600 30 600～33 000 33 000～33 600 33 600～34 200 34 200～34 800 34 800～35 400 35 400～36 000
路
设
计
与
应
图 5 基于 CPLD 的相移补偿原理图
用
首先将检测出的位置信号 HA 、HB 、HC 逻辑合成为 :
SN = HA HB + HA HC + HB HC
53
D
驱动控制
rive and control
2010年第 4期
移 ,就能够得到准确的反电势过零点 ,即换向点 。
接下来的问题就是如何使用控制芯片 CPLD 对
反电势进行相移补偿 。CPLD 作为主控制芯片的优
势在于它的组合逻辑功能强大 ,,并且集成度高 、管脚数
适中 、价格便宜 。但其缺点在于数字计算能力较弱 ,
从表中可以看出 ,相位补偿不是连续的 ,而是在 区间之间跳跃的 。从实验效果看 ,相位补偿效果比 较理想 。
图 8是负载转矩固定为 80 g·cm 时电机的效 率特性曲线 。电机效率在转速到 25 000 r/m in以后
关键词 :反电势 ;无刷直流电动机 ;无位置传感器 ; CPLD 中图分类号 : TM 33 文献标识码 : A 文章编号 : 1004 - 7018( 2010) 04 - 0052 - 04
D esign and Applica tion of D etecting Zero - Crossing C ircu it of BEM F Ba sed on CPLD
实际数值差别很小的器件 ,以便达到三相滤波器相
图 3 电机 A 相反电动势过零点检测电路
移角度一致 ,避免使这一环节成为影响电机运行性 能的不利因素 。
3 基于 CPLD 反电势相移补偿的实现
因为反电势检测电路中存在滤波电路 ,所以会
对反电势信号产生一定的滞后 ,从反电势检测电路
输出的反电势信号比真实的要滞后一些 。当电机转
若根据当前电机转子运行角频率实时计算相移角后
的 反
再按公式计算换向点的方法 [ 2 ] ,不仅实行复杂而且
电 势
困难 。考虑到负责软件补偿的 CPLD 不具备高速计 过
算能力 ,故通过记录反电势检测信号的相移 ,造出表
零 检
格 ,再通过软件延时实现位置信号的相位补偿 。图
测 电
5是基于 CPLD 的反电势相移补偿原理图 。
速上升 ,反电势频率越来越高时 ,信号滞后所带来的负
面影响就比较严重。电机表现为高速带负载能力差 ,
并且电流增大很多倍 ,甚至于会出现电机突然停转。
因而要保证系统稳定运行 ,需要对反电势进行补偿。
图 4是实验测得的反电
势频率与相移角度之间的变
化关系 。从图中可以看出 ,
反电势信号的相移随着频率
逐渐增加 。在高转速也就是 图 4 反电动势相移角度
COUN T 0～6 6～8 8 ～11 11～14 14～18 18～21 21～24 24～27 27～31 31～33 33～34 34～34 34～35 35～35 36～36
相移补偿角度 / ( °) 30 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 18 17 16 15
的 反
芯片 ,该芯片集电机驱动 、调速 、转子位置检测信号
电 势
相位补偿等作用于一身 ,详细分析反电势经过滤波
过 后所产生的相移 ,并提出一种有效的基于 CPLD 的
零 检
软件补偿方法 。最后通过样机实验 ,完成硬件电路
测 电
的调试与软件补偿方法的确定 。
路
设 计
1 反电势过零点检测原理
与 应
反电势过零点检测法技术成熟 ,实现简单 ,应用
从反电势波形可以看出 ,在未导通相反电势过 零瞬间 ,被导通两相绕组的反电势大小相等方向相 反 ,自 过 零 点 起 延 时 30℃电 角 度 即 可 得 到 换 向 点 [ 4 ] 。这就是反电动势法检测无刷直流电动机转
子位置的基本原理 。
2 反电势过零点检测电路设计
本系统牙钻电机本体已经将中线引出 ,不需要 再通过计算模拟中线电压 ,所以利用反电势检测电 路便可以直接获得反电势信号 。电机本体为 1 对 极 ,调速范围是 3 000～35 000 r/m in,因此反电势的 频率范围就是 f∈ ( 50, 600) Hz。反电势检测电路系
具有四路输入 、输出的 LM224和 LM339。经过滤波
器的反电势信号进入放大器 ,从输出端再进入电压
比较器与电机中线电压比较后输出的信号就是反电
势过零检测信号 。 ④最后 ,反电势过零检测信号经
过光电耦合电路后 ,作为转子位置信号输入到
CPLD 内进行相位补偿 。在这部分电路中应当合理
选择提拉电阻值 ,使光耦电路不至于产生振荡 。
图 2 反电势检测电路系统
过零检测电路的具体设计方法如下 : ①低通滤
波器的设计 。由于电机调速常采用 PWM 方式 ,反
电势信号中往往含有高频调制信号 ,会影响电压比
较器的正常工作 ,因此需要采用滤波器对端电压信
号进行滤波 。因为反电势频率在 50～600 Hz,在此
低频范围有源滤波器即纹波滤波器的滤波效果较
D 2010年第 4期
驱动控制 rive and control
统如图 2所示 。电机的三相反电势从端电压引出后 经过分压 、二阶有源低通滤波器 、过零比较器后获得 检测波形 , 再经过光耦隔离 , 最后送到控制芯片 CPLD 进行相位补偿 。
V non
= Va
+ Vb 3
+ Vc
(1)
Enon
= Vnon - Vn
= Vnon
- Va
+ Vb + Vc 3
(2)
由式 (2)可知 ,只要测出三相端电压 ,然后由程序计
算未导通相端电压 Vnon与反电势过零瞬间中点电压 Vn 的差值即可得到未导通相的反电势值 ,当该差值 为零时即表明检测到反电势过零点 。
好 。所以本电路低通滤波部分采用二阶有源低通滤
波器 。 ②滤波电路中电阻 、电容数值的选取 。要保
证系统稳定运行 ,滤波器的输出不仅要求准确 ,不能
漏掉过零点 ,也不能增加过零点 ,而且其相移要小于
30℃。对检测电路中 A、B 两点使用基尔霍夫电压
定理 ,就可以得到低通滤波器的传递函数 ,经过计算
则可得到滤波器的幅频响应表达式和相频响应表达
用 广泛 。反电势波形如图 1所示 [ 4 ] 。
52
收稿日期 : 2009 - 06 - 26
对于未导通 相 , 设 Vnon 为 端 电 压 , Enon 为 反 电 势 , 由电 机 绕 组 三 相 端 电压 得 反 电 势 过 零
图 1 反电动势波形
瞬间中点电压和反电势公式 [ 2 ] :
HU Yan, L IU W ei - guo, HAN Y ing - tao, WAN G Yan - na (Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)
Abstract: This paper p resents the design of detecting zero - crossing circuit of BEMF in the sensorless BLDCM of tooth drill. The phase shifting which the filter brought to the circuit was analyzed in detail. A kind of software method of phase com2 pensation was p roposed based on CPLD. A t last, the experiment p roves that the zero - crossing signals of BEMF which are de2 tected by the circuit are available and reliable, and that the method of phase compensation is viable and correct.
反电势频率达到 500 Hz,相应电机转速达到 30 000
r/m in以后 ,相移变化幅度尤为明显 。另外也可以
看到 ,即使在反电动势频率达到最高的 600 Hz时 ,
相移的角度仍然控制在 30°,甚至在 20°以内 。这种
情况下 ,当反电势输入信号发生变化时 ,根据电机的
实时转速 ,加上 φ = 30°- α( α为相移电角度 )的相
图 3是根据上述的设计方法所设计的电机 A 相
反电势过零点检测电路 (其余两相与 A 相相同 ) 。
其中 ,前面的电阻 、电容以及运放 U1 共同组成前级 滤波电路 ;电压比较器 U2 接收运放的输出 ,与电机 中线电压比较 ,构成过零点检测电路 ,将反电势波形
转换为方波 ; 最后通过光电耦合输出到控制芯片
这样三相信号只要有一相发生变化 , 在软件中就会 产生响应 ;然后将一计数器 T0 设为每 20 m s输出计 数值一次 , T0 的计数值就是在 20 m s内 SN 发生变化 的次数 ,记为 :
COUN T
= n ×1 ×3 60 50
=n 1 000
n为电机转速 。这样电机转速就正比于 T0 在 20 m s 内的计数值 COUNT ; 最后制作出与反电势相移角 α、 相位补偿角度 φ = 30°- α、正比于电机实时转速的
还有体积小 、重量轻 、维护方便以及高效节能等一系
列优点 ,可以满足牙钻电机的各方面要求 。而无刷
直流电动机的无位置传感器控制 ,无需安装传感器 ,
相对于有位置传感器的方法有较大的优势 ,更适合
牙钻电机 。
基 于
本文针对无位置传感器无刷直流电动机的转子
位置检测这一关键技术展开研究 ,设计反电动势过
零点检测的硬件电路 。采用 CPLD 作为电机的主控
CPLD的 I/O端口进行相移补偿。各器件的取值为 :
R1 = 68 kΩ、R2 = 68 kΩ、R3 = 27 kΩ、R4 = 5. 1 kΩ、R5 = 300Ω、R6 = 5. 1 kΩ。C1 = 0. 01μF、C2 = 470 pF。
需要特别说明的是 ,因为元器件存在一定的误
差 ,而检测电路又是三路 ,所以在选用器件时应挑选
式 [ 4 ] 。所以电阻 、电容的取值就直接影响到检测电
路的使用效果 ,包括反电势相移角的大小 。综合考
虑本系统后 ,取反电势最大频率 f = 6 000 Hz、通带
增益
K = 1、阻尼系数 ξ = 0.
624
7、转 折 频 率
ω n
=
7ωc。经计算 ,相移控制在 30°以内 。 ③过零检测电
路的设计 。有源放大器和电压比较器分别选用都是
这就是反电动势法检测无刷直流电动机转2反电势过零点检测电路设计本系统牙钻电机本体已经将中线引出不需要再通过计算模拟中线电压所以利用反电势检测电路便可以直接获得反电势信号
D
驱动控制
rive and control
2010年第 4期
基于 CPLD 的反电势过零检测电路设计与应用
胡 䶮 ,刘卫国 ,韩英桃 ,王燕娜
(西北工业大学 ,陕西西安 710072)
摘 要 :设计医疗牙钻用无位置传感器无刷直流电动机反电势过零点检测的硬件电路 。详细分析反电势经过 滤波后所产生的相移 ,并提出一种基于 CPLD的软件补偿方法 。通过实验 ,证明该电路检测到的反电势过零点信号 有效 、可靠 ,并且相移补偿方法正确 、可行 。
0 引 言
医疗牙钻的使用环境对电机有以下要求 :卫生
要求高 ,需经常进行消毒处理 ;空气中酒精浓度比较
高 ,不应产生换向火化 ;周围其它电子设备较多 ,电
磁噪声小 ; 器械体积小 、手握性好 ,并且发热小等 。
无刷直流电动机没有换向火花 ,电磁噪声较小 ,并且
COUNT有关的相位补偿表 ,如表 1所示 。
表 1 相位补偿表
电机转速 / ( r·m in - 1 ) 0～6 000
6 000～8 400 8 400～10 800 10 800～13 800 13 800～18 000 18 000～21 000 21 000～24 000 24 000～27 000 27 000～30 600 30 600～33 000 33 000～33 600 33 600～34 200 34 200～34 800 34 800～35 400 35 400～36 000
路
设
计
与
应
图 5 基于 CPLD 的相移补偿原理图
用
首先将检测出的位置信号 HA 、HB 、HC 逻辑合成为 :
SN = HA HB + HA HC + HB HC
53
D
驱动控制
rive and control
2010年第 4期
移 ,就能够得到准确的反电势过零点 ,即换向点 。
接下来的问题就是如何使用控制芯片 CPLD 对
反电势进行相移补偿 。CPLD 作为主控制芯片的优
势在于它的组合逻辑功能强大 ,,并且集成度高 、管脚数
适中 、价格便宜 。但其缺点在于数字计算能力较弱 ,
从表中可以看出 ,相位补偿不是连续的 ,而是在 区间之间跳跃的 。从实验效果看 ,相位补偿效果比 较理想 。
图 8是负载转矩固定为 80 g·cm 时电机的效 率特性曲线 。电机效率在转速到 25 000 r/m in以后
关键词 :反电势 ;无刷直流电动机 ;无位置传感器 ; CPLD 中图分类号 : TM 33 文献标识码 : A 文章编号 : 1004 - 7018( 2010) 04 - 0052 - 04
D esign and Applica tion of D etecting Zero - Crossing C ircu it of BEM F Ba sed on CPLD
实际数值差别很小的器件 ,以便达到三相滤波器相
图 3 电机 A 相反电动势过零点检测电路
移角度一致 ,避免使这一环节成为影响电机运行性 能的不利因素 。
3 基于 CPLD 反电势相移补偿的实现
因为反电势检测电路中存在滤波电路 ,所以会
对反电势信号产生一定的滞后 ,从反电势检测电路
输出的反电势信号比真实的要滞后一些 。当电机转
若根据当前电机转子运行角频率实时计算相移角后
的 反
再按公式计算换向点的方法 [ 2 ] ,不仅实行复杂而且
电 势
困难 。考虑到负责软件补偿的 CPLD 不具备高速计 过
算能力 ,故通过记录反电势检测信号的相移 ,造出表
零 检
格 ,再通过软件延时实现位置信号的相位补偿 。图
测 电
5是基于 CPLD 的反电势相移补偿原理图 。
速上升 ,反电势频率越来越高时 ,信号滞后所带来的负
面影响就比较严重。电机表现为高速带负载能力差 ,
并且电流增大很多倍 ,甚至于会出现电机突然停转。
因而要保证系统稳定运行 ,需要对反电势进行补偿。
图 4是实验测得的反电
势频率与相移角度之间的变
化关系 。从图中可以看出 ,
反电势信号的相移随着频率
逐渐增加 。在高转速也就是 图 4 反电动势相移角度
COUN T 0～6 6～8 8 ～11 11～14 14～18 18～21 21～24 24～27 27～31 31～33 33～34 34～34 34～35 35～35 36～36
相移补偿角度 / ( °) 30 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 18 17 16 15
的 反
芯片 ,该芯片集电机驱动 、调速 、转子位置检测信号
电 势
相位补偿等作用于一身 ,详细分析反电势经过滤波
过 后所产生的相移 ,并提出一种有效的基于 CPLD 的
零 检
软件补偿方法 。最后通过样机实验 ,完成硬件电路
测 电
的调试与软件补偿方法的确定 。
路
设 计
1 反电势过零点检测原理
与 应
反电势过零点检测法技术成熟 ,实现简单 ,应用
从反电势波形可以看出 ,在未导通相反电势过 零瞬间 ,被导通两相绕组的反电势大小相等方向相 反 ,自 过 零 点 起 延 时 30℃电 角 度 即 可 得 到 换 向 点 [ 4 ] 。这就是反电动势法检测无刷直流电动机转
子位置的基本原理 。
2 反电势过零点检测电路设计
本系统牙钻电机本体已经将中线引出 ,不需要 再通过计算模拟中线电压 ,所以利用反电势检测电 路便可以直接获得反电势信号 。电机本体为 1 对 极 ,调速范围是 3 000～35 000 r/m in,因此反电势的 频率范围就是 f∈ ( 50, 600) Hz。反电势检测电路系
具有四路输入 、输出的 LM224和 LM339。经过滤波
器的反电势信号进入放大器 ,从输出端再进入电压
比较器与电机中线电压比较后输出的信号就是反电
势过零检测信号 。 ④最后 ,反电势过零检测信号经
过光电耦合电路后 ,作为转子位置信号输入到
CPLD 内进行相位补偿 。在这部分电路中应当合理
选择提拉电阻值 ,使光耦电路不至于产生振荡 。
图 2 反电势检测电路系统
过零检测电路的具体设计方法如下 : ①低通滤
波器的设计 。由于电机调速常采用 PWM 方式 ,反
电势信号中往往含有高频调制信号 ,会影响电压比
较器的正常工作 ,因此需要采用滤波器对端电压信
号进行滤波 。因为反电势频率在 50～600 Hz,在此
低频范围有源滤波器即纹波滤波器的滤波效果较
D 2010年第 4期
驱动控制 rive and control
统如图 2所示 。电机的三相反电势从端电压引出后 经过分压 、二阶有源低通滤波器 、过零比较器后获得 检测波形 , 再经过光耦隔离 , 最后送到控制芯片 CPLD 进行相位补偿 。
V non
= Va
+ Vb 3
+ Vc
(1)
Enon
= Vnon - Vn
= Vnon
- Va
+ Vb + Vc 3
(2)
由式 (2)可知 ,只要测出三相端电压 ,然后由程序计
算未导通相端电压 Vnon与反电势过零瞬间中点电压 Vn 的差值即可得到未导通相的反电势值 ,当该差值 为零时即表明检测到反电势过零点 。
好 。所以本电路低通滤波部分采用二阶有源低通滤
波器 。 ②滤波电路中电阻 、电容数值的选取 。要保
证系统稳定运行 ,滤波器的输出不仅要求准确 ,不能
漏掉过零点 ,也不能增加过零点 ,而且其相移要小于
30℃。对检测电路中 A、B 两点使用基尔霍夫电压
定理 ,就可以得到低通滤波器的传递函数 ,经过计算
则可得到滤波器的幅频响应表达式和相频响应表达
用 广泛 。反电势波形如图 1所示 [ 4 ] 。
52
收稿日期 : 2009 - 06 - 26
对于未导通 相 , 设 Vnon 为 端 电 压 , Enon 为 反 电 势 , 由电 机 绕 组 三 相 端 电压 得 反 电 势 过 零
图 1 反电动势波形
瞬间中点电压和反电势公式 [ 2 ] :
HU Yan, L IU W ei - guo, HAN Y ing - tao, WAN G Yan - na (Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)
Abstract: This paper p resents the design of detecting zero - crossing circuit of BEMF in the sensorless BLDCM of tooth drill. The phase shifting which the filter brought to the circuit was analyzed in detail. A kind of software method of phase com2 pensation was p roposed based on CPLD. A t last, the experiment p roves that the zero - crossing signals of BEMF which are de2 tected by the circuit are available and reliable, and that the method of phase compensation is viable and correct.
反电势频率达到 500 Hz,相应电机转速达到 30 000
r/m in以后 ,相移变化幅度尤为明显 。另外也可以
看到 ,即使在反电动势频率达到最高的 600 Hz时 ,
相移的角度仍然控制在 30°,甚至在 20°以内 。这种
情况下 ,当反电势输入信号发生变化时 ,根据电机的
实时转速 ,加上 φ = 30°- α( α为相移电角度 )的相
图 3是根据上述的设计方法所设计的电机 A 相
反电势过零点检测电路 (其余两相与 A 相相同 ) 。
其中 ,前面的电阻 、电容以及运放 U1 共同组成前级 滤波电路 ;电压比较器 U2 接收运放的输出 ,与电机 中线电压比较 ,构成过零点检测电路 ,将反电势波形
转换为方波 ; 最后通过光电耦合输出到控制芯片
这样三相信号只要有一相发生变化 , 在软件中就会 产生响应 ;然后将一计数器 T0 设为每 20 m s输出计 数值一次 , T0 的计数值就是在 20 m s内 SN 发生变化 的次数 ,记为 :
COUN T
= n ×1 ×3 60 50
=n 1 000
n为电机转速 。这样电机转速就正比于 T0 在 20 m s 内的计数值 COUNT ; 最后制作出与反电势相移角 α、 相位补偿角度 φ = 30°- α、正比于电机实时转速的
还有体积小 、重量轻 、维护方便以及高效节能等一系
列优点 ,可以满足牙钻电机的各方面要求 。而无刷
直流电动机的无位置传感器控制 ,无需安装传感器 ,
相对于有位置传感器的方法有较大的优势 ,更适合
牙钻电机 。
基 于
本文针对无位置传感器无刷直流电动机的转子
位置检测这一关键技术展开研究 ,设计反电动势过
零点检测的硬件电路 。采用 CPLD 作为电机的主控
CPLD的 I/O端口进行相移补偿。各器件的取值为 :
R1 = 68 kΩ、R2 = 68 kΩ、R3 = 27 kΩ、R4 = 5. 1 kΩ、R5 = 300Ω、R6 = 5. 1 kΩ。C1 = 0. 01μF、C2 = 470 pF。
需要特别说明的是 ,因为元器件存在一定的误
差 ,而检测电路又是三路 ,所以在选用器件时应挑选
式 [ 4 ] 。所以电阻 、电容的取值就直接影响到检测电
路的使用效果 ,包括反电势相移角的大小 。综合考
虑本系统后 ,取反电势最大频率 f = 6 000 Hz、通带
增益
K = 1、阻尼系数 ξ = 0.
624
7、转 折 频 率
ω n
=
7ωc。经计算 ,相移控制在 30°以内 。 ③过零检测电
路的设计 。有源放大器和电压比较器分别选用都是
这就是反电动势法检测无刷直流电动机转2反电势过零点检测电路设计本系统牙钻电机本体已经将中线引出不需要再通过计算模拟中线电压所以利用反电势检测电路便可以直接获得反电势信号
D
驱动控制
rive and control
2010年第 4期
基于 CPLD 的反电势过零检测电路设计与应用
胡 䶮 ,刘卫国 ,韩英桃 ,王燕娜
(西北工业大学 ,陕西西安 710072)
摘 要 :设计医疗牙钻用无位置传感器无刷直流电动机反电势过零点检测的硬件电路 。详细分析反电势经过 滤波后所产生的相移 ,并提出一种基于 CPLD的软件补偿方法 。通过实验 ,证明该电路检测到的反电势过零点信号 有效 、可靠 ,并且相移补偿方法正确 、可行 。