本实用新型一种基于软开关的无刷直流电动机无位置传感器控制系统属于控制器领域。
背景技术：
无刷直流电动机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品，电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器，驱动器由功率电子器件和集成电路等构成。因此无刷直流电动机既具有传统直流电机调节特性好，起动转矩大、过载能力强、动态特性好等优点，又具有交流电动机没有碳刷和换向器、运行可靠、维护方便等一系列的优点，越来越受到人们的关注。但是传统的无刷直流电动机控制系统中，逆变器各相控制开关常常工作在硬开关状态下，产生开关损耗较大，影响了电机的效率，并且由于位置传感器的存在增加了无刷直流电动机体积的缺点。
技术实现要素：
本实用新型一种基于软开关的无刷直流电动机无位置传感器控制系统，采用基于变压器的谐振的直流软开关电路，使所有功率开关都工作在软开关条件下，开关损耗减少明显，使得整个系统的控制效率显著提升；采用反电动势三次谐波过零点检测法，无需位置传感器，减小了电机体积、降低了制造成本，简化了制造工艺，提高了生产率和使用的可靠性。
本实用新型的目的是这样实现的：
一种基于软开关的无刷直流电动机无位置传感器控制系统，包括DSP控制器、反电动势三次谐波检测电路、无刷直流电动机、逆变器、基于变压器的谐振电路和直流电源；所述逆变器和基于变压器的谐振电路组成基于变压器的谐振直流软开关电路，所述直流电源通过基于变压器的谐振电路与逆变器相连接，逆变器的输出再与无刷直流电动机的供电输入相连，无刷直流电动机通过反电动势三次谐波检测电路连接DSP控制器，DSP控制器分别连接直流电源、基于变压器的谐振电路和逆变器。
所述一种基于软开关的无刷直流电动机无位置传感器控制系统，所述的基于变压器的谐振电路包括3个IGBT。
所述一种基于软开关的无刷直流电动机无位置传感器控制系统，所述的逆变器采用三相桥式逆变器，功率开关为独立安装。
有益效果：
本实用新型一种基于软开关的无刷直流电动机无位置传感器控制系统，采用谐振软开关电路降低了传统无刷直流电动机控制的开关损耗，同时采用反电动势三次谐波过零点检测法，无刷直流电动机体积更小，制造成本更低，同时，也使得整个控制系统的抗干扰能力更强，系统的可靠性也显著增强，具体如下：
1、无刷直流电动机控制系统的开关损耗和音频噪声明显减少，在传统的控制系统上增加了基于变压器的的谐振直流软开关电路，使得所有的开关均工作在软开关条件下，功率管的开关损耗大幅降低，同时由于开关频率比音频频谱高，所以对开关的噪声抑制效果明显；
2、基于变压器的谐振直流软开关电路，辅助开关电路仅由3个辅助开关组成，电路结构简单，容易实现；
3、无位置传感器无刷直流电动机控制系统的设计，大幅减小了电机体积，提高了系统的可靠性，扩大了电机的应用范围；
4、基于高性能控制器DSP的反电动势三次谐波过零点检测法，克服了无刷直流电动机中性点不易引出的缺点，使得检测电路更为简单可行。
附图说明
图1是一种基于软开关的无刷直流电动机无位置传感器控制系统结构图。
图2是反电动势三次谐波检测电路电路图。
图3是一种基于软开关的无刷直流电动机无位置传感器控制系统拓扑图。
图4是基于变压器的谐振软开关等效电路图。
图中：1DSP控制器、2反电动势三次谐波检测电路、3无刷直流电动机、4逆变器、5基于变压器的谐振电路、6直流电源。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型具体实施方式作进一步详细描述。
一种基于软开关的无刷直流电动机无位置传感器控制系统，如图1所示，包括DSP控制器1、反电动势三次谐波检测电路2、无刷直流电动机3、逆变器4、基于变压器的谐振电路5和直流电源6；所述逆变器4和基于变压器的谐振电路5组成基于变压器的谐振直流软开关电路，所述直流电源6通过基于变压器的谐振电路5与逆变器4相连接，逆变器4 的输出再与无刷直流电动机3的供电输入相连，无刷直流电动机3通过反电动势三次谐波检测电路2连接DSP控制器1，DSP控制器1分别连接直流电源6、基于变压器的谐振电路 5和逆变器4。
所述一种基于软开关的无刷直流电动机无位置传感器控制系统，所述的基于变压器的谐振电路5包括3个IGBT。
所述一种基于软开关的无刷直流电动机无位置传感器控制系统，所述的逆变器4采用三相桥式逆变器，功率开关为独立安装。
直流电源6通过基于变压器的谐振电路5与逆变器4相连接，逆变器4的输出端再与无刷直流电动机6的供电输入相连，DSP控制器1通过对无刷直流电动机3、反电动势三次谐波以及直流母线电流的检测分析，得到准确的换相信号和PWM占空比来驱动逆变器4，从而实现无刷直流电动机3的正常稳定的运行。同时，经过DSP控制器1的运算处理，得到基于变压器的谐振电路5中辅助开关的控制信号，使得逆变器4的功率开关在完成每次换相与PWM调制时，都能工作在软开关模式下。
通过对无刷直流电动机3以三相六状态、梯形波反电动势为例的动态数学模型进行分析，传统的控制系统中开关管工作在硬开关状态下，由于开关管并非理想元件，所以在开关管导通或关断时，开关管的两端电压电流会存在一个交叠的区域，从而产生开关损耗，而将原有的逆变器电路换成谐振式软开关电路后，通过谐振回路中电容Cr的充放电，使得在开关管开通和关断时，开关管两端电压为零，实现了所有功率开关都运行在软开关条件下，减小了功率开关管的损耗。
所述一种基于软开关的无刷直流电动机无位置传感器控制系统采用反电动势三次谐波过零点检测法，如图2所示的反电动势三次谐波检测电路2，包括电阻R1、电阻R2、电阻 R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、可调电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电容C1、供电电源VCC、VCC的电源地、二极管D1、5V供电电源、5V供电电源的电源地、5V供电电源的正极+5V、二极管D2、二极管D3、5V供电电源的负极-5V、5Vb 供电电源、运算放大器U2、5Vb供电电源的电源地、型号为6N137的光电隔离器U3、电容 C2、5Va供电电源、5Va供电电源的电源地、3.3Va供电电源和3.3Va供电电源的电源地；无刷直流电动机3分别连接R1、R2和R3，R1连接R3，R2连接R6，R6分别连接R7、C1、D2、 D3和U2的正相信号输入端，R7分别连接C1、R4和R5，R4连接VCC，R5连接VCC的电源地，D2连接+5V，D3连接-5V电源，U2的负相信号输入端连接R9，R9与D1并联，D1一端连接R8,另一端连接5V电源地，R8连接5V，U2的正电源端分别连接5Vb、R10和R11,R10 连接U2的输出端和U3的管脚3，U2的负电源端连接5Vb的电源地，R11连接U3的管脚2， U3的管脚5连接3.3Va电源地，U3的管脚7分别连接U3的管脚8、C2和5Va电源，C2连接5Va电源地，U3的管脚6分别连接R12和DSP控制器1，R12连接3.3Va电源；在无刷直流电机1的三相入线端外界等效的电阻R1、R2和R3，并对VCC电源中点M处和R1、R2、 R3连接的O处之间的电势差进行分压滤波，可得到反电动三次谐波信号，经过-5V和5V之间的D2和D3，输入至型号为LM339的运算放大器U2的正向输入端，对三次谐波信号的过零信号进行检测，U2的反向输入端比较电位的输入端连接R9，输出端输出相应的0V和3.3V 的开关信号到DSP控制器1，DSP控制器1捕捉到开关信号的跳变沿产生捕获终端，DSP控制器1根据捕获的过零点信号按照预先编号的顺序进行换向，驱动电机转动。
通过对无刷直流电动机反电动势与反电动势三次谐波数学模型的分析可知，反电动势的三次谐波过零点恰好与反电动势过零电重合，因此只需要再延时30°电角度就可以得到电机换相的准确位置，这种方法无需构造电机中性点，仅需要简单的低通滤波。再通过具有高速数据处理的控制芯片DSP控制器1的分析计算，便能够保证无刷直流电动机的准确换相，正常运行。
如图3所示，基于软开关的无刷直流电动机无位置传感器控制系统的拓扑结构，是在传统的控制系统的基础上增加了基于变压器的谐振电路5，基于变压器的谐振电路5包括由3个辅助开关SL、Sa、Sb及其相对应的寄生二极管DL、Da、Db构成的控制单元；以及由个匝比为1：n的变压器和1个谐振电容Cr构成的谐振单元。通过控制辅助开关的通断，使得变压器和谐振电容Cr之间产生谐振，得到主开关器件的软开关运行条件，因此具有辅助开关控制电路简单，直流母线之间没有串联分压电容，无中性点电位的变化问题。
如图4所示，由于谐振过程非常短，负载电流I0可以假定是恒定的，等效为一个电流源。直流环节电压减少到零，然后又上升到电源电压的过程就是一个基于变压器的谐振型直流软开关的零电压转换的过程，此过程可以分成以下几个阶段：1、SL导通，Sa、Sb截止，直流电源直接向负载供电，UCr等于电源电压Us。2、在主开关需要换相或PWM信号跳变之前，先启动谐振电路，触发Sa，同时关断SL，Sb仍截止。Cr与变压器之间发生谐振， Cr放电，UCr减小，变压器初级绕组电流iLr从0开始增大，同时变压器次级绕组电流iLrs也随之增大，并通过Db流回到直流电源。利用变压器等效电路，以及电压、电流平衡原理，可计算出iLr率先振荡落回零点，Sa自然关断，Cr继续通过负载放电。当UCr减小为0(该时间间隔通常非常短暂)，此时主开关器件任何动作均符合软开关条件，负载电流则经D续流。3、随着主开关的开通或关断状态的改变，触发Sb，SL、Sa仍截止，iLrs开始线性增大，同时iLr也随之线性增大，并通过Da流向负载。负载电流慢慢从续流二极管D中转移到iLrs，D中电流开始线性减小，当iLr值等于I0，D自然截止。4、Sb导通，SL、Sa截止，Cr与变压器之间通过Da发生谐振，UCr增大到Us。触发SL，此时SL、Sb导通，Sa 截止，iLr通过Da和负载回路线性减小，iSL线性增大，两电流总量等于I0。当iLr减小为0时，iSL增大至I0，同时iLrs也减小到0，关断Sb。一个转换过程结束，又回到初始阶段。
所述一种基于软开关的无刷直流电动机无位置传感器控制系统，所述的逆变器4采用三相桥式逆变器，功率开关为独立安装，方便逆变器4的检修。