基于cpld的反電勢過零檢測電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用
胡 龔，劉衛(wèi)國，韓英桃，王燕娜
(西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安7l0072)
摘要：設(shè)計(jì)醫(yī)療牙鉆用無位置傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)反電勢過零點(diǎn)檢測的硬件電路。詳細(xì)分析反電勢經(jīng)過濾波后所產(chǎn)生的相移，并提出一種基于cpld的軟件補(bǔ)償方法。通過實(shí)驗(yàn)，證明該電路檢測到的反電勢過零點(diǎn)信號(hào)有效、可靠，并且相移補(bǔ)償方法正確、可行。
關(guān)鍵詞：反電勢；無刷直流電動(dòng)機(jī)；無位置傳感器；cpld
中圖分類號(hào)：tm33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a 文章編號(hào)：1004—7018(2010)04—0052—04
0引 言
醫(yī)療牙鉆的使用環(huán)境對(duì)電機(jī)有以下要求：衛(wèi)生要求高，需經(jīng)常進(jìn)行消毒處理；空氣中酒精濃度比較高，不應(yīng)產(chǎn)生換向火化；周圍其它電子設(shè)備較多，電磁噪聲�。黄餍刁w積小、手握性好，并且發(fā)熱小等。無刷直流電動(dòng)機(jī)沒有換向火花，電磁噪聲較小，并且還有體積小、重量輕、維護(hù)方便以及高效節(jié)能等一系列優(yōu)點(diǎn)，可以滿足牙鉆電機(jī)的各方面要求。而無刷直流電動(dòng)機(jī)的無位置傳感器控制，無需安裝傳感器，相對(duì)于有位置傳感器的方法有較大的優(yōu)勢，更適合牙鉆電機(jī)。
本文針對(duì)無位置傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測這一關(guān)鍵技術(shù)展開研究，設(shè)計(jì)反電動(dòng)勢過零點(diǎn)檢測的硬件電路。采用cpld作為電機(jī)的主控芯片，該芯片集電機(jī)驅(qū)動(dòng)、調(diào)速、轉(zhuǎn)子位置檢測信號(hào)相位補(bǔ)償?shù)茸饔糜谝簧�，詳�?xì)分析反電勢經(jīng)過濾波后所產(chǎn)生的相移，并提出一種有效的基于cpld的軟件補(bǔ)償方法。最后通過樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，完成硬件電路的調(diào)試與軟件補(bǔ)償方法的確定。
1反電勢過零點(diǎn)檢測原理
反電勢過零點(diǎn)檢測法技術(shù)成熟，實(shí)現(xiàn)簡單，應(yīng)用廣泛。反電勢波形如圖1所示[4]。對(duì)于未導(dǎo)通相，設(shè)vnon為端電壓，enon為反電勢，由電機(jī)繞組三相端電壓得反電勢過零
瞬間中點(diǎn)電壓和反電勢公式[2]：
由式(2)可知，只要測出三相端電壓，然后由程序計(jì)算末導(dǎo)通相端電壓knon與反電勢過零瞬間中點(diǎn)電壓k的差值即可得到未導(dǎo)通相的反電勢值，當(dāng)該差值為零時(shí)即表明檢測到反電勢過零點(diǎn)。
從反電勢波形可以看出，在未導(dǎo)通相反電勢過零瞬間，被導(dǎo)通兩相繞組的反電勢大小相等方向相反，自過零點(diǎn)起延時(shí)30qc電角度即可得到換向點(diǎn)[4]。這就是反電動(dòng)勢法檢測無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置的基本原理。
2反電勢過零點(diǎn)檢測電路設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)牙鉆電機(jī)本體已經(jīng)將中線引出，不需要再通過計(jì)算模擬中線電壓，所以利用反電勢檢測電路便可以直接獲得反電勢信號(hào)。電機(jī)本體為1對(duì)極，調(diào)速范圍是3 000～35 000 r／min，因此反電勢的頻率范圍就是，f∈(50，600)hz。反電勢檢測電路系統(tǒng)如圖2所示。電機(jī)的三相反電勢從端電壓引出后經(jīng)過分壓、二階有源低通濾波器、過零比較器后獲得檢測波形，再經(jīng)過光耦隔離，最后送到控制芯片cpld進(jìn)行相位補(bǔ)償。
 過零檢測電路的具體設(shè)計(jì)方法如下：①低通濾波器的設(shè)計(jì)。由于電機(jī)調(diào)速常采用pwm方式，反電勢信號(hào)中往往含有高頻調(diào)制信號(hào)，會(huì)影響電壓比較器的正常工作，因此需要采用濾波器對(duì)端電壓信號(hào)進(jìn)行濾波。因?yàn)榉措妱蓊l率在50～600 hz，在此低頻范圍有源濾波器即紋波濾波器的濾波效果較好。所以本電路低通濾波部分采用二階有源低通濾波器。②濾波電路中電阻、電容數(shù)值的選取。要保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，濾波器的輸出不僅要求準(zhǔn)確，不能漏掉過零點(diǎn)，也不能增加過零點(diǎn)，而且其相移要小于30℃。對(duì)檢測電路中a、b兩點(diǎn)使用基爾霍夫電壓定理，就可以得到低通濾波器的傳遞函數(shù)，經(jīng)過計(jì)算則可得到濾波器的幅頻響應(yīng)表達(dá)式和相頻響應(yīng)表達(dá)式。所以電阻、電容的取值就直接影響到檢測電路的使用效果，包括反電勢相移角的大小。綜合考慮本系統(tǒng)后，取反電勢****頻率f=6 000 hz、通帶增益k=1、阻尼系數(shù)ξ=o.624 7、轉(zhuǎn)折頻率ωn=7ωc。經(jīng)計(jì)算，相移控制在30。以內(nèi)。③過零檢測電路的設(shè)計(jì)。有源放大器和電壓比較器分別選用都是具有四路輸入、輸出的lml224和lm339。經(jīng)過濾波器的反電勢信號(hào)進(jìn)入放大器，從輸出端再進(jìn)入電壓比較器與電機(jī)中線電壓比較后輸出的信號(hào)就是反電勢過零檢測信號(hào)。⑧最后，反電勢過零檢測信號(hào)經(jīng)過光電耦 |
