增加电机控制的采样时间

调制可以通过插入相反的电压矢量来增加有源采样时间。在电机控制应用中，该方法增加了模拟值采样的合适时间。

虽然这里的例子显示调制无刷直流电动机(BLDC)，调制可用于其他应用。反电动势(BEMF)传感的选择取决于调制技术，各有优缺点。本文给出了在BLDC电机上的测量示例，并给出了用于SPC57xPWT微控制器的GTM(通用定时器模块)的实现。

脉宽调制，采样

模拟值通常在特定时间内采样，与PWM同步以排除振铃期间的采样。振铃是电源切换到换向后的一种暂态。根据应用程序和采样值的类型，采样可以在非时间或准时时间进行。ADC采样所需的时间限制了占空比范围，这可能会限制电机的速度。在电机自由旋转时，可能会发生较少的BEMF。

所述调制可以插入相反的电压矢量，以确保所需的最小准时过电压范围。该方法不影响高速单极调制，与双极调制相比降低了电磁兼容。该调制也适用于双电机控制，其中来自电容器的电流可以被来自移位PWM的第二电机的相反电流所抑制。

1.脉宽调制与主动时间延长

PWM(脉宽调制)的设计是为了确保在无刷直流电机控制应用中有足够的有源时间进行BEMF采样。还考虑了开关损耗和导电损耗在所有晶体管上的均匀分布。

BEMF在无电源阶段进行采样，其中其他两个相可以提供(在有源时间/准时采样)或连接到同一终端(在无时间采样)。在关闭时间的采样通常更敏感，但BEMF周期的一半(通常为负)被桥式二极管切断。当在活动时间采样BEMF时，电机节点处于电源电压的一半。在两个极性中都可以观察到BEMF的变化趋势。

对于低占空比，有源时间可以短于单极调制BEMF采样所需的时间。最小所需时间由ADC采样/转换时间、连续测量次数和开关换相后的瞬态波动时间给出。脉动时间取决于电机结构和功率级设计。任何设计不对称和寄生阻抗应尽量减少，以减少波纹时间。然而，对于单极调制，最低电压将受到限制。

这种限制不发生在双极调制，其中第二相切换到第一相互补。在这种情况下，50%占空比的平均电压为零。双极调制的主要缺点是电流波动大，开关损耗大。

所提出的PWM将单极调制中的有源时间延长到所需的宽度(见图1)。脉冲宽度的延长由相反的电压矢量补偿。插入相反的电压矢量使开关频率加倍。在这种情况下，开关损耗加倍。因为只有在低速时才需要反向矢量插入，这时传导损耗通常很低，所以晶体管的最大功耗不会增加。即使在低速时也需要大电流的应用中，也不应出现活动时间延长的需要。在这种情况下，由于补偿绕组电阻上的压降，所需的电压更高。交替PWM产生可以用来排除晶体管开关之间的短时间(参见图1中的交替相位a和B)。这可能是晶体管开关损耗导流所需要的。这种调制的缺点是产生较复杂，主要是在有补偿脉冲和无补偿脉冲之间的瞬态。求解瞬态有两种可能。

第一种可能是继续进行相移。在这种情况下，负脉冲自然变成了正脉冲。这可能会持续到两个正脉冲相同。这种方法对于所选调制是自然的，但是在指定的范围内只允许ADC每秒钟采样一次。在这种情况下，即使产生负脉冲，PWM频率也是相同的。在现实中，行为是不同的;与图1中的调制进行比较。在第一步中，每一秒脉冲减小脉冲宽度。在第二步，这些脉冲改变了极性。

第二种可能是，一旦负脉冲达到零宽度，频率就会降低一半。在这种情况下，电机电压UAB将与图1中完全相同，但调制的处理更复杂。通过插入相反的电压矢量，PWM频率也增加了一倍，如图1所示。

2.由GTM产生PWM

在一个简单的无刷直流电动机控制应用中测试了调制。该应用程序是在基于PowerPC的微控制器上设计的，而PWM由GTM产生。PWM可以在定时器输出模块(TOM)通道或ATOM [ARU(高级路由单元)连接的TOM)通道上生成。这两个模块具有类似的功能。主要区别在于ATOM连接到ARU，因此输入数据可以从其他模块自动加载，例如多通道排序器(MCS)或参数存储模块(PSM)。另一方面，TOM通道允许连接到传感器模式评估(SPE)进行自动换相，但此功能在此应用程序中没有使用，因为当前版本的GTM不支持同时选择四个不同的占空比。

PWM更新每周期执行一次。PWM需要对奇数和偶数周期进行不同的设置。比较寄存器根据所需的基于奇数或偶数周期的占空比进行更新。为了减少CPU负载，更新可以由MCS或PSM处理。

寄存器的重新加载发生在活动时间的中间。

图2列出了不输入相反向量和输入相反向量时的比较值。

公式适用于第一相(A)为正，第二相(B)为负，第三相(C)为关的电压矢量。其他矢量以同样的方式生成，但相位相应改变。见表1。输入是必需的占空比。

表:相位状态

2.1不输入对向矢量时比较数值计算

阶段A中的调制如下:

• 顶级晶体管第一事件:T_FPOFF= Duty/2 - DT;
• 底部晶体管第一事件:T_FPON= Duty/2 + DT;
• 顶级晶体管第二事件:T_RPON=周期- T_FPOFF；
• 底部晶体管第二事件:T_RPOFF=周期- T_FPON；

相B接负极(底部晶体管开)

相C断开(两个晶体管都断开)。

2.2输入相反矢量时的数值计算比较

相位A中的调制与前一种情况相同，但占空比被最小占空比取代，以确保所需的活动时间(PWM_最小值）.

• 顶级晶体管第一事件:T_FPOFF= PWM_最小值/2 - dt;
• 底部晶体管第一事件:T_FPON= PWM_最小值/2 + dt;
• 顶级晶体管第二事件:T_RPON=周期- T_FPOFF；
• 底部晶体管第二事件:T_RPOFF=周期- T_FPON；

阶段B中的调制如下:

• 顶级晶体管第一事件:T_FNON=周期/2 - (PWM_最小值-职责)/4 + DT;
• 底部晶体管第一事件:T_FNOFF=周期/2 - (PWM_最小值-职责)/4 - DT;
• 顶级晶体管第二事件:T_RNOFF=周期- T_FNON；
• 底部晶体管第二事件:T_RNON=周期- T_FNOFF；

相C断开(两个晶体管都断开)。

测量结果，对矢量

用12v皮特曼电机3441S001-R3对所述调制进行了测试。图3显示了晶体管的控制信号、相间电压和电机电流。插入相反的矢量使第一次谐波的频率翻倍。

插入相反的矢量确保所需的活动时间来测量所需的模拟值。在基于PowerPC的微控制器上进行了测试。与单极调制相比，调制稍微增加了电流波动，但电流波动和损耗比标准双极调制要小。

- Jiri Ryba，博士，意法半导体现场应用工程师。由CFE Media内容经理马克·t·霍斯克编辑，控制工程，mhoske@cfemedia.com．

关键概念

• 在电机控制应用中，使用相反电压矢量的脉宽调制(PWM)可以延长模拟直流(ADC)采样时间。
• 插入相反的矢量确保所需的活动时间来测量所需的模拟值。
• 与单极调制相比，调制稍微增加了电流波动，但电流波动和损耗比标准双极调制要小。

在线额外

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参考文献

v .维斯瓦纳坦博士。Jeevananthan，“一种基于电流控制空间矢量调制的新型无刷直流驱动器转矩脉动控制方案”，国际计算机应用杂志(0975 - 8887)第28卷第2期，2011年8月

[2] Dae-Kyong Kim, Kwang-Woon Lee，和Byung-Il Kwon，“无位置传感器无刷直流电机驱动的换相转矩脉动降低”，IEEE电力电子学报，第21卷，第6期，2006年11月

ST微电子，“RM RM0334参考手册spc574kxx -基于32位电源架构®的汽车应用MCU”Rev 2012年10月2日

[4]博世GTM(通用定时器模块)规范

另见其他电机和驱动器下面的文章。

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