直流无刷电机PWM占空比基于XC866的正弦波控制方案

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图1 直流无刷电机控制框图

（1）三相正弦调制PWM
三相SPWM为最常见的正弦PWM生成方式，即对电机三个端线施加相位相差120度的正弦电压信号，由于中性点为0 ，因此电机相电压也为正弦，且相位与施加的正弦电压相同。如图2所示。

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图2 三相调制SPWM端线电压

（2）开关损耗最小正弦PWM
与常见的SPWM不同，采用开关损耗最小正弦PWM时，施加在电机端线上电压Ua、 Ub、Uc并非正弦波电压，此时电机中心点电压并非为0 ，但是电机相电压仍然为正弦。因此此类控制方式为线电压控制。见图3：

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图3 开关损耗最小正弦PWM端线电压
其中Ux、Uy、Uz为电机端线电压， Ua、Ub、Uc为电机相电压，可见相电压相位差为120度。Ux、Uy、Uz与Ua、Ub、Uc的关系如下：

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合并后， Ux ， Uy ， Uz如下：

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可见采用开关损耗最小正弦PWM时， Ux ， Uy ， Uz相位差120度，且为分段函数形式，并非正弦电压，而电机相电压Ua、Ub、Uc仍然为正弦电压。且在120度区内端线电压为0 ，即对应的开关管常开或常关。因此与三相正弦PWM相比，开关损耗减少1/3 。
通过控制Ux ， Uy ， Uz的相位以及幅值即可以控制Ux ， Uy ， Uz ，实现控制电流的目的。
直流无刷电机简易正弦波控制的实现
系统结构
系统结构如图4所示。工作原理如下：霍尔输入信号经过自动滤波及采样处理，得到可靠的换相信号，此信息可被用作估算转子角度以及转速。速度PI调解器根据给定转速值以及反馈转速值计算正弦PWM的Modulation的大小。位置估算单元利用转速以及换相信息估算转子位置角Angle’ 。通过超前角调整单元，补偿超前角Δ ，得到Angle 。SPWM单元利用Modulation以及Angle信息生成开关损耗最小SPWM ，输出到逆变单元。以下章节将介绍各单元原理及实现。

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图4 系统框图
开关损耗最小正弦PWM的生成
【直流无刷电机PWM占空比基于XC866的正弦波控制方案】由于Ux ， Uy ， Uz相位相差120度，因此以Ux为例进行分析。

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Ux为分段函数，

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与

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为正弦函数且以对称。仅需实现其中一段，另一段对称处理即可。

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的实现：

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因此仅需要利用0-120度的正弦表即可以实现，即

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，其中M为幅值。Uy ， Uz的实现与Ux相似，相位差为120° 。通过控制M和x即可控制电机相电压的幅值及相位。

开关损耗最小正弦PWM控制与霍尔位置传感器的关系
通常直流无刷电机采用霍尔传感器定位转子位置，由于传统控制方式为方波控制，因此3个霍尔传感器即可满足要求。霍尔传感器的位置与转子反电势之间的关系见图5 ，即霍尔传感器安装于反电势为30°、90°、150°、210°、270°、330°的位置。具体霍尔输出值与霍尔的具体安装方式相关。

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图5 BLDC霍尔传感器输出与反电势之间的关系

采用开关损耗最小正弦PWM控制BLDC时时，电机端线电压与霍尔传感器输出之间的关系示意图如图6 。

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图6 采用开关损耗最小正弦PWM时，端线电压与霍尔状态的关系

由图2可知，采用开关损耗最小正弦PWM时电机端线电压超前于相电压30° ，因此可得采用正弦波控制时电机相电压与反电势同步。
由于相电压超前于相电流，因此相电流滞后于反电势。
转速计算

转速计算依赖于霍尔传感器，理想状态下相邻两个霍尔状态的间隔为60° ，实际应用中由于存在安装误差，实际间隔并非60° ，会引入计算误差。本文档中采用一个霍尔传感器的输出作为转速计算参考，如图7所示。其中高低电平分别为180度，不会引入安装误差。利用此信息即可计算电机转速。

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图7 转速计算
计算公式如下：

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其中：f为电频率， P为电机极对数
角度估算
与方波控制不同，正弦波控制中角度为连续变化，而BLDC中常见的3个霍尔传感器仅仅能提供6个角度信息，即0° ， 60° ， 120° ， 180° ， 240° ， 300° ，其他角度信息无法直接获得。通常采用平均速度法，假设在一定时间内电机速度平稳，利用前次霍尔换相时的角度与速度信息插值得到其他角度信息，如图8所示。

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图8 角度估算

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，由此可见电机的转速波动将直接影响角度计算的误差，在方案中利用相邻3次180°换相时间的平均值来计算转速信息，如图9 。

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图9 多次平均法计算转速
即

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以此减少转速波动引起的角度误差。
转速PI
转速控制采用PI调解器，输入为转速给定及转速反馈，输出为开关损耗最小正弦PWM的幅值Modulation 。公式如下：

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其中：Kp为比例增益， Ki为积分增益， y为PI调解器输出。具体实现时，积分环节添加抗积分饱和功能，限制积分器输出的最大、最小值，同时对整个PI调解器的输出值增加饱和限制，实现框图如下。

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图10PI调解器框图

直流无刷电机启动之前，转子处于静止状态，仅仅能利用霍尔传感器得到电机的绝对位置信息，由于不存在换相，无法得到电机转速信息，因此无法利用平均速度法计算正弦控制所需的角度信息。所以在电机启动阶段，无法直接切入正弦控制方式，在此采用方波控制方式启动。当电机启动后并获得可靠的换向信息后，即可切入正弦波控制。为了防止出现较大的转速波动，需要注意切换前后电流的相位及幅值均平稳过渡。
理想切换前后的电流波形图11如下。

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图11 方波控制向正弦波控制的理想切换
超前角调整
由前面章节可知，霍尔传感器的输出反映转子的反电势信息，依据霍尔状态生成的正弦波相电压电压与转子反电势同相位。而由于电机为感性负载，因此电机相电流滞后于相电压。即电机相电流滞后于反电势。而霍尔最大转矩输出时，电机相电流与反电势同步，因此需要调整电压相位，使生成的相电压超前于反电势，即超前角Δ 。适当调整Δ ，可使相电流与反电势同相位，提高输出转矩，提高系统效率。超前角的调整可通过实验形式手动调整，或者采用一定的算法自动调整。

实验结果
本文提出的控制方法具体实现时采用infineon的高性能 8位单片机XC866 。XC866内部集成专用电机控制单元CCU6E（提供专用BLDC控制模式）以及高性能ADC模块，是控制直流无刷电机的理想选择。电机为一台额定功率35W的直流无刷风机，极对数：4 。启动时采用方波控制，当速度平稳后切入正弦波控制。图12为运行于开关损耗最小正弦PWM控制下的电机相电流。图13为方波控制切换至正弦波控制时刻的相电流波形。

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图12 采用开关损耗最小正弦波控制的BLDC相电流

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图13方波控制切换至正弦波控制

本文介绍了一种基于开关损耗最小正弦PWM的直流无刷电机正弦波控制方案，并基于Infineon高性能8位单片机XC866进行了系统实现及验证。与传统的方波控制相比，由于采用正弦波驱动技术，电机运行噪声低，且开关损耗较SPWM减少1/3 ，可以很好的满足直流无刷风机应用中对噪声以及效率的要求，因此此类控制方案将有很大的应用前景。东莞东昊电机有限公司专注于全球工业自动化领域，致力于高性能，高品质直流无刷电机、直流伺服电机、步进电机及配套驱动控制器的研发生产，是国内领先的运动控制技术解决方案的高新技术企业。