基于cpld的反電勢過零檢測電路設計與應用

胡  龔，劉衛國，韓英桃，王燕娜

  (西北工業大學，陜西西安7l0072)

摘要：設計醫療牙鉆用無位置傳感器無刷直流電動機反電勢過零點檢測的硬件電路。詳細分析反電勢經過濾波后所產生的相移，并提出一種基于cpld的軟件補償方法。通過實驗，證明該電路檢測到的反電勢過零點信號有效、可靠，并且相移補償方法正確、可行。

    關鍵詞：反電勢；無刷直流電動機；無位置傳感器；cpld

    中圖分類號：tm33  文獻標識碼：a  文章編號：1004—7018(2010)04—0052—04

0引  言

    醫療牙鉆的使用環境對電機有以下要求：衛生要求高，需經常進行消毒處理；空氣中酒精濃度比較高，不應產生換向火化；周圍其它電子設備較多，電磁噪聲小；器械體積小、手握性好，并且發熱小等。無刷直流電動機沒有換向火花，電磁噪聲較小，并且還有體積小、重量輕、維護方便以及高效節能等一系列優點，可以滿足牙鉆電機的各方面要求。而無刷直流電動機的無位置傳感器控制，無需安裝傳感器，相對于有位置傳感器的方法有較大的優勢，更適合牙鉆電機。

    本文針對無位置傳感器無刷直流電動機的轉子位置檢測這一關鍵技術展開研究，設計反電動勢過零點檢測的硬件電路。采用cpld作為電機的主控芯片，該芯片集電機驅動、調速、轉子位置檢測信號相位補償等作用于一身，詳細分析反電勢經過濾波后所產生的相移，并提出一種有效的基于cpld的軟件補償方法。最后通過樣機實驗，完成硬件電路的調試與軟件補償方法的確定。

1反電勢過零點檢測原理

    反電勢過零點檢測法技術成熟，實現簡單，應用廣泛。反電勢波形如圖1所示[4]。對于未導通相，設vnon為端電壓，enon為反電勢，由電機繞組三相端電壓得反電勢過零

瞬間中點電壓和反電勢公式^[2]：

由式(2)可知，只要測出三相端電壓，然后由程序計算末導通相端電壓knon與反電勢過零瞬間中點電壓k的差值即可得到未導通相的反電勢值，當該差值為零時即表明檢測到反電勢過零點。

    從反電勢波形可以看出，在未導通相反電勢過零瞬間，被導通兩相繞組的反電勢大小相等方向相反，自過零點起延時30qc電角度即可得到換向點^[4]。這就是反電動勢法檢測無刷直流電動機轉子位置的基本原理。

2反電勢過零點檢測電路設計

    本系統牙鉆電機本體已經將中線引出，不需要再通過計算模擬中線電壓，所以利用反電勢檢測電路便可以直接獲得反電勢信號。電機本體為1對極，調速范圍是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如圖2所示。電機的三相反電勢從端電壓引出后經過分壓、二階有源低通濾波器、過零比較器后獲得檢測波形，再經過光耦隔離，最后送到控制芯片cpld進行相位補償。

    過零檢測電路的具體設計方法如下：①低通濾波器的設計。由于電機調速常采用pwm方式，反電勢信號中往往含有高頻調制信號，會影響電壓比較器的正常工作，因此需要采用濾波器對端電壓信號進行濾波。因為反電勢頻率在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、電容數值的選取。要保證系統穩定運行，濾波器的輸出不僅要求準確，不能漏掉過零點，也不能增加過零點，而且其相移要小于30℃。對檢測電路中a、b兩點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，經過計算則可得到濾波器的幅頻響應表達式和相頻響應表達式。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。綜合考慮本系統后，取反電勢****頻率f=6 000 hz、通帶增益k=1、阻尼系數ξ=o.624 7、轉折頻率ωn=7ωc。經計算，相移控制在30。以內。③過零檢測電路的設計。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。經過濾波器的反電勢信號進入放大器，從輸出端再進入電壓比較器與電機中線電壓比較后輸出的信號就是反電勢過零檢測信號。⑧最后，反電勢過零檢測信號經過光電耦