无位置传感器的低压无刷直流电机控制电路设计

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采用无位置传感器控制技术的无刷直流电机系统具有小型化、高效率、高可靠性等优点,在电动工具、家电等领域的应用越来越广泛。实现无刷直流电机无感控制的关键是对其转子位置的检测,目前最常用的检测方法是反电动势法。该检测法的难点是对关断相反电动势过零点的精确检测,因此对过零点检测进行研究具有重要意义。在反电动势检测法的基础上,本文对控制策略的数字集成化进行了研究和设计。本文的研究内容主要包括:(1)研究了尖峰电压对过零点检测的影响,通过合理选择采样区域,实现了前沿消隐;(2)研究了关断相的续流特性,提出了一种固定时间的数字滤波方法,消除了续流噪声对过零点检测的干扰;(3)研究了比例-积分(ProportionIntegration,PI)算法的硬件集成化设计,提出了电路资源分时复用的设计方法,有效地减少了PI算法占用的电路面积;(4)研究了数字集成电路的可测试性设计,设计了一种引脚复用的电路结构,解决了电路引脚资源不足的问题。最后,基于现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)开发板和印制电路板(Printed Circuit Board,PCB)硬件电路,对所设计的无刷直流电机控制策略进行了测试验证。结果表明:本文设计的控制电路对电机的稳态调速范围为100r/min~2500r/min,启动时间约为280ms,换相误差小于2°。基于0.18μm BCD工艺对数字电路进行后端设计,电路整体规模在1万门左右。对布局布线后的电路进行后仿真,仿真结果表明:电路的动态功耗为402μW,扫描链测试覆盖率为99.51%。
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