- 無位置傳感器的直流無刷電機控制系統設計與實現
- 來源：賽斯維傳感器網 發表于 2015/5/29
引言
傳統上把具有梯形波反電勢的永磁同步電機稱為直流無刷電機。直流無刷電機的轉矩控制需要轉子位置信息來實現有效的定子電流控制。而且，對于轉速控制，也需要速度信號，使用位置傳感器是直流無刷電機矢量控制的基礎，但是，位置傳感器的存在也給直流無刷電機的應用帶來很多的缺陷與不便：首先，位置傳感器會增加電機的體積和成本；其次，連線眾多的位置傳感器會降低電機運行的可靠性，即便是現在應用最多的霍爾傳感器，也存在一定程度的磁不敏感區；再次，在某些惡劣的工作環境、例如在密封的空調壓縮機中，由于制冷劑的強腐蝕性，常規的位置傳感器根本無法使用；最后，傳感器的安裝精度還會影響電機的運行性能，增加了生產的工藝難度。
無位置傳感器控制技術是近30年來無刷直流電機（BLDCM）研究的一個重要方向。論述了國內外BLDCM無位置傳感器控制的研究現狀。著重介紹了目前應用和研究較多的幾種常規方法的基本原理、實現途徑、應用場合以及優缺點等，并對它們作了綜合分析和比較。無位置傳感器控制就是在沒有機械式位置傳感器的情況下進行的控制。此時，作為逆變器開關換向導通時序信號的轉子位置信號仍然是必不可少的，只不過不再由位置傳感器來提供，而應該由新的位置信號檢測措施來代替，即以提高電路和控制的復雜性來降低電機結構的復雜性。
目前，BLDCM無位置傳感器控制研究的核心是構架轉子位置信號檢測電路，從軟硬件兩方面間接獲得可靠的轉子位置信號，從而觸發導通相應的功率器件，驅動電機運轉。到目前為止，在眾多的位置信號檢測方法中，應用和研究較多的主要有定子電感法、速度無關位置函數法、反電勢法、基波電勢換向法和狀態觀測器法等。
1．基于反電勢的轉子位置檢測方案
無刷直流電機（BushlessDCMotor，BLDCM）具有無換向火花、運行可靠、維護方便、結構簡單等優點，因而在很多場合得到了廣泛應用。但是傳統的BLDCM需要一個附加的位置傳感器來控制轉子位置，這給其應用帶來了很多不利的影響。BLDCM的無位置傳感器控制在近30年中一直是國內外較為熱門的研究課題［1］。目前，對于BLDCM的無位置傳感器控制，針對不同的性能要求和應用場合，人們已經提出了多種不同的控制理論和實現方法，例如定子電感法、速度無關位置函數法、反電勢法、基波電勢換向法、狀態觀測器法等。本文在簡要論述BLDCM無位置傳感器控制研究現狀的基礎上，詳細介紹了目前應用和研究較多的幾類方法的基本原理、實現途徑、應用場合及優缺點。
當電機速度大于零時，每個電周期內某相反電勢為零的位置只有兩個，可以從圖1所示通過過零點時反電勢的斜率來區分這些位置，每一段對應電周期內的60°區間。換向發生在每一段的邊界處，反電勢過零點和需要換向的位置之間有30°的偏移，需要對其進行補償。
圖1反電勢過零點
在任一時刻只有兩相通電，且流經這兩相的電流相反，圖2所示為W相用于反電勢檢測時的情況。當U相內流經正向電流（定義為流向星型連接中心點的電流），V相內流經負相電流時，對應圖1中區間6Q和1Q時，此置位的1動作。假設通電相的兩端總是對稱地分別連接到DC電源地兩個端點上，則星型連接中心點的電壓總是1/2VDC，與加在這兩個通電相繞組上的電壓極性無關。
上述方法很容易通過硬件實現，即通過分壓電路對三相的端電壓和VDC分別進行采樣，并將采樣值送入比較器的比較端口，得到的過零點時刻即為1/2VDC的時刻。使用一個可用的定某相反電勢經過時器測量60°（即兩次反電勢過零點之間）的時間。
2．DSP控制方案的系統實現
2.1TMS320LF240x芯片簡介
TMS320LF240x系列DSP為滿足大范圍的數字電動機控制（DMC）應用而設計的。該芯片具有高性能的16位定點DSP內核，采用改進的哈佛總線結構，具有專門的硬件乘法器，采用流水線操作，具有30MIPS的處理能力，大多數指令在單周期內即可執行完成。TMS320LF240x可以實現用軟件取代模擬器件，完成復雜的控制算法，方便地修改控制策略，修正控制參數，能滿足無傳感器直流無刷電機控制系統對實時控制的要求。
2.2DSP控制系統的硬件實現
DSP系統由TMS320LF2407A與仿真口（JTAG）等外圍電路構成。DSP內部已有32K字的FlashROM，但為了調試的方便（FlashROM中的程序不能設置斷點，且需專門的下載程序），外加了程序RAM，在程序經多次調試，成熟可靠時可寫人內部的FlashROM，通過設置相應的跳線，DSP復位時即可從內部的FlashROM來執行程序。DSP片上有544字的雙口RAM（DARAM），全部配置到數據空間，將程序中頻繁存取的變量分配到這部分雙口RAM中，以提高處理的速度。DSP片上還有2K字的單口RAM（SARAM）配置到數據空間，也用來存放臨時變量。
圖3是根據前述控制原理設計的基于DSP的直流無刷電機控制系統。該系統主要由直流無刷電機、功率變換器電路、電機轉子位置檢測電路、各種保護電路以及以TMS320LF240x為核心的數字控制器等構成，其中功率變換器電路由整流濾波電路、逆變器電路（IPM功率模塊）和相應的保護電路組成。
圖3DSP控制系統
逆變器電路中的IPM模塊集成了多種保護功能，如過電壓保護、欠電壓保護以及過流保護等，當達到保護閾值時，IPM模塊通過FO引腳輸出一個低電平信號，并將此低電平信號送入DSP的PDPINTx引腳，觸發功率驅動保護中斷，將所有PWM輸出引腳設置為高阻態，以此來關斷驅動信號，起到保護電路的作用。
轉子位置檢測電路采用1/2電壓采樣法來實現，對電機的三相端電壓及直流母線電壓分別進行采樣，并將采樣結果送入比較器進行比較，從而得到過零點的時刻，其結果送入DSP的捕捉端口中。
2.3DSP控制系統的軟件設計
本控制系統采用速度、電流雙閉環的控制結構。由于采用了面向電機控制的高速DSP，無論是速度環的設計，還是電流環的實現，以及各種反饋信號的處理和PWM控制信號的產生，均采用了數字信號處理技術，用軟件實現硬件電路的功能，完成直流無刷電機的實時控制。
控制系統的軟件設計主要包括DSP初始化程序和電機控制程序兩部分。DSP初始化程序主要完成系統時鐘的設定，中斷向量的定義，I/O端口的初始化，控制寄存器的設置以及各功能模塊的初始化等；電機控制程序主要負責電機的啟動控制、速度電流雙閉環控制、系統監控和故障處理等，因此電機控制程序包括啟動子程序、電流和位置檢測中斷服務子程序、速度控制子程序、電流控制子程序、PWM調制子程序以及系統監控和故障處理子程序等。
進行各種反饋信號的檢測是構成雙閉環控制的前提。位置信號、電流信號的檢測分別由位置檢測中斷服務程序和電流檢測中斷服務程序來實現，轉速的檢測通過軟件計算間接獲得。為了提高系統的動態性能和穩態精度。其控制環路簡圖如圖4所示。
圖4電流和速度控制環路
PWM調制子程序根據檢測到的轉子位置信號和電流信號通過事件管理器（EV）產生PWM調制信號。通過定時器控制寄存器TxCON中的位模式將通用定時器的計數模式設置為連續增/減計數模式以產生對稱的PWM波形。
2.4電機的啟動方案
由于直流無刷電機在靜止及低速運行時難以正確檢測反電勢信號，因此必須解決電機在靜止狀態下啟動的問題。以往曾有多種啟動方法，但有的要增加復雜的啟動電路，有的則要與電機特性聯系密切，，實現起來難度較大、且可靠性較低。
本系統采用三段式的方法單純利用軟件來實現電機啟動，將電機的啟動過程分為預定位、強制運行與同步切換三個階段。在電機靜止時，轉子的初始位置未知，需要給設定的兩相電樞繞組通以短暫的電流，使轉子磁極穩定在這兩相繞組合成磁場的軸線上，以此作為轉子磁極初始位置（即預定位）。然后按定、轉子磁極間正確的空間相位關系使相應的功率器件導通，并以固定的時間進行模式切換，在這段時間內反電勢幅值較小，不宜進行過零檢測。
3 實驗結果
將前述控制方案應用在直流變頻空調壓縮機系統上進行實驗驗證，電機極對數為2，PWM載波頻率設為5kHz，最大輸出功率為2kW，調速范圍為15～～110Hz。實驗證明，該系統啟動平穩，調速控制系統實時性好，具有良好的控制性能。圖5是無刷直流電機三相電壓的波形，圖6是無刷直流電機三相電流的波形，從波形圖中可以看出，輸出波形具有較高的質量，從而表明該系統采用的控制策略和算法的可行性和和實用性。
圖5三相電壓波形
圖6三相電流波形
4 結語
直流無刷電機具有效率高、功率密度大、功率因數高、體積小、控制精度高等優點，其應用范圍非常廣泛。直流無刷電機的控制技術正在從傳統的有位置傳感器的閉環PID控制過渡到無位置傳感器的智能控制，其調速范圍、轉矩脈動、系統魯棒性等性能都在不斷提高。
在充分利用了TMS320LF240x的強大實時計算能力和片內豐富的集成器件的基礎上，設計了基于DSP的無位置傳感器直流無刷電機的控制方案，并給出了控制系統的軟、硬件結構。該控制系統具有良好的控制性能和調速性能，可以獲得較好的動態特性和較高的穩態精度，運行效率高，抗干擾能力強，具有較高的實際應用價值。
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