一種無位置傳感器的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、一種無位置傳感器的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)    傳統(tǒng)上把具有梯形波反電勢的永磁同步電機(jī)稱為直流無刷電機(jī)。直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制需要轉(zhuǎn)子位置信息來實(shí)現(xiàn)有效的定子電流控制。而且，對(duì)于轉(zhuǎn)速控制，也需要速度信號(hào)，使用位置傳感器是直流無刷電機(jī)矢量控制的基礎(chǔ)，但是，位置傳感器的存在也給直流無刷電機(jī)的應(yīng)用帶來很多的缺陷與不便 ：首先，位置傳感器會(huì)增加電機(jī)的體積和成本；其次，連線眾多的位置傳感器會(huì)降低電機(jī)運(yùn)行的可靠性，即便是現(xiàn)在應(yīng)用最多的霍爾傳感器，也存在一定程度的磁不敏感區(qū)；再次，在某些惡劣的工作環(huán)境、例如在密封的空調(diào)壓縮機(jī)中，由于制冷劑的強(qiáng)腐蝕性 ，常規(guī)的位

2、置傳感器根本無法使用；最后，傳感器的安裝精度還會(huì)影響電機(jī)的運(yùn)行性能，增加了生產(chǎn)的工藝難度。    無位置傳感器控制技術(shù)是近30年來無刷直流電機(jī)（BLDCM）研究的一個(gè)重要方向。論述了國內(nèi)外BLDCM無位置傳感器控制的研究現(xiàn)狀。著重介紹了目前應(yīng)用和研究較多的幾種常規(guī)方法的基本原理、實(shí)現(xiàn)途徑、應(yīng)用場合以及優(yōu)缺點(diǎn)等，并對(duì)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(jī)械式位置傳感器的情況下進(jìn)行的控制。此時(shí)，作為逆變器開關(guān)換向?qū)〞r(shí)序信號(hào)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)仍然是必不可少的，只不過不再由位置傳感器來提供，而應(yīng)該由新的位置信號(hào)檢測措施來代替，即以提高電路和控制的復(fù)

3、雜性來降低電機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。    目前，BLDCM無位置傳感器控制研究的核心是構(gòu)架轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測電路，從軟硬件兩方面間接獲得可靠的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，從而觸發(fā)導(dǎo)通相應(yīng)的功率器件，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。到目前為止，在眾多的位置信號(hào)檢測方法中，應(yīng)用和研究較多的主要有定子電感法、速度無關(guān)位置函數(shù)法、反電勢法、基波電勢換向法和狀態(tài)觀測器法等。    1 基于反電勢的轉(zhuǎn)子位置檢測方案    無刷直流電機(jī)（Bushless DC Motor，BLDCM）具有無換向火花、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、結(jié)構(gòu)簡單

4、等優(yōu)點(diǎn)，因而在很多場合得到了廣泛應(yīng)用。但是傳統(tǒng)的BLDCM需要一個(gè)附加的位置傳感器來控制轉(zhuǎn)子位置，這給其應(yīng)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(nèi)外較為熱門的研究課題1。目前，對(duì)于BLDCM的無位置傳感器控制，針對(duì)不同的性能要求和應(yīng)用場合，人們已經(jīng)提出了多種不同的控制理論和實(shí)現(xiàn)方法，例如定子電感法、速度無關(guān)位置函數(shù)法、反電勢法、基波電勢換向法、狀態(tài)觀測器法等。本文在簡要論述BLDCM無位置傳感器控制研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了目前應(yīng)用和研究較多的幾類方法的基本原理、實(shí)現(xiàn)途徑、應(yīng)用場合及優(yōu)缺點(diǎn)。    當(dāng)電機(jī)速度大于零時(shí)，

5、每個(gè)電周期內(nèi)某相反電勢為零的位置只有兩個(gè)，可以從圖1 所示通過過零點(diǎn)時(shí)反電勢的斜率來區(qū)分這些位置，每一段對(duì)應(yīng)電周期內(nèi)的60°區(qū)間。換向發(fā)生在每一段的邊界處，反電勢過零點(diǎn)和需要換向的位置之間有30°的偏移，需要對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。        圖1反電勢過零點(diǎn)    在任一時(shí)刻只有兩相通電，且流經(jīng)這兩相的電流相反，圖2 所示為W 相用于反電勢檢測時(shí)的情況。當(dāng)U 相內(nèi)流經(jīng)正向電流（定義為流向星型連接中心點(diǎn)的電流），V 相內(nèi)流經(jīng)負(fù)相電流時(shí)，對(duì)應(yīng)圖1 中區(qū)間6Q和1Q

6、時(shí)，此置位的1動(dòng)作。假設(shè)通電相的兩端總是對(duì)稱地分別連接到DC 電源地兩個(gè)端點(diǎn)上，則星型連接中心點(diǎn)的電壓總是1/2VDC，與加在這兩個(gè)通電相繞組上的電壓極性無關(guān)。        上述方法很容易通過硬件實(shí)現(xiàn)，即通過分壓電路對(duì)三相的端電壓和VDC 分別進(jìn)行采樣，并將采樣值送入比較器的比較端口，得到的過零點(diǎn)時(shí)刻即為1/2VDC 的時(shí)刻。使用一個(gè)可用的定某相反電勢經(jīng)過時(shí)器測量60°（即兩次反電勢過零點(diǎn)之間）的時(shí)間。    2 DSP 控制方案的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)  

7、  2.1 TMS320LF240x 芯片簡介    TMS320LF240x 系列DSP 是TI 公司為滿足大范圍的數(shù)字電動(dòng)機(jī)控制（DMC）應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。該芯片具有高性能的16 位定點(diǎn)DSP 內(nèi)核，采用改進(jìn)的哈佛總線結(jié)構(gòu)，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(shù)指令在單周期內(nèi)即可執(zhí)行完成。TMS320LF240x 可以實(shí)現(xiàn)用軟件取代模擬器件，完成復(fù)雜的控制算法，方便地修改控制策略，修正控制參數(shù)，能滿足無傳感器直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)控制的要求。    2.2

8、 DSP 控制系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)    DSP系統(tǒng)由TMS320LF2407A與仿真口（JTAG）等外圍電路構(gòu)成。DSP內(nèi)部已有32K字的Flash ROM，但為了調(diào)試的方便（Flash ROM中的程序不能設(shè)置斷點(diǎn)，且需專門的下載程序），外加了程序RAM，在程序經(jīng)多次調(diào)試，成熟可靠時(shí)可寫人內(nèi)部的Flash ROM，通過設(shè)置相應(yīng)的跳線，DSP復(fù)位時(shí)即可從內(nèi)部的FlashROM來執(zhí)行程序。DSP片上有544字的雙口RAM（DARAM），全部配置到數(shù)據(jù)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（SARA

9、M）配置到數(shù)據(jù)空間，也用來存放臨時(shí)變量。    圖3 是根據(jù)前述控制原理設(shè)計(jì)的基于DSP 的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由直流無刷電機(jī)、功率變換器電路、電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測電路、各種保護(hù)電路以及以TMS320LF240x 為核心的數(shù)字控制器等構(gòu)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(yīng)的保護(hù)電路組成。        圖3 DSP 控制系統(tǒng)    逆變器電路中的IPM 模塊集成了多種保護(hù)功能，如過電壓保護(hù)、

10、欠電壓保護(hù)以及過流保護(hù)等，當(dāng)達(dá)到保護(hù)閾值時(shí)，IPM 模塊通過FO 引腳輸出一個(gè)低電平信號(hào)，并將此低電平信號(hào)送入DSP 的PDPINTx 引腳，觸發(fā)功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷，將所有PWM 輸出引腳設(shè)置為高阻態(tài)，以此來關(guān)斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)，起到保護(hù)電路的作用。    轉(zhuǎn)子位置檢測電路采用1/2 電壓采樣法來實(shí)現(xiàn)，對(duì)電機(jī)的三相端電壓及直流母線電壓分別進(jìn)行采樣，并將采樣結(jié)果送入比較器進(jìn)行比較，從而得到過零點(diǎn)的時(shí)刻，其結(jié)果送入DSP 的捕捉端口中。    2.3 DSP 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)    本控

11、制系統(tǒng)采用速度、電流雙閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)。由于采用了面向電機(jī)控制的高速DSP，無論是速度環(huán)的設(shè)計(jì)，還是電流環(huán)的實(shí)現(xiàn)，以及各種反饋信號(hào)的處理和PWM 控制信號(hào)的產(chǎn)生，均采用了數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，用軟件實(shí)現(xiàn)硬件電路的功能，完成直流無刷電機(jī)的實(shí)時(shí)控制。    控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括DSP 初始化程序和電機(jī)控制程序兩部分。DSP 初始化程序主要完成系統(tǒng)時(shí)鐘的設(shè)定，中斷向量的定義，I/O 端口的初始化，控制寄存器的設(shè)置以及各功能模塊的初始化等；電機(jī)控制程序主要負(fù)責(zé)電機(jī)的啟動(dòng)控制、速度電流雙閉環(huán)控制、系統(tǒng)監(jiān)控和故障處理等，因此電機(jī)控制程序包括啟動(dòng)子程序、電流和位置檢測

12、中斷服務(wù)子程序、速度控制子程序、電流控制子程序、PWM 調(diào)制子程序以及系統(tǒng)監(jiān)控和故障處理子程序等。    進(jìn)行各種反饋信號(hào)的檢測是構(gòu)成雙閉環(huán)控制的前提。位置信號(hào)、電流信號(hào)的檢測分別由位置檢測中斷服務(wù)程序和電流檢測中斷服務(wù)程序來實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速的檢測通過軟件計(jì)算間接獲得。為了提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度。其控制環(huán)路簡圖如圖4 所示。        圖4 電流和速度控制環(huán)路    PWM 調(diào)制子程序根據(jù)檢測到的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)和電流信號(hào)通過事件管理器

13、（EV）產(chǎn)生PWM 調(diào)制信號(hào)。通過定時(shí)器控制寄存器TxCON 中的位模式將通用定時(shí)器的計(jì)數(shù)模式設(shè)置為連續(xù)增/ 減計(jì)數(shù)模式以產(chǎn)生對(duì)稱的PWM 波形。    2.4 電機(jī)的啟動(dòng)方案    由于直流無刷電機(jī)在靜止及低速運(yùn)行時(shí)難以正確檢測反電勢信號(hào)，因此必須解決電機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)下啟動(dòng)的問題。以往曾有多種啟動(dòng)方法，但有的要增加復(fù)雜的啟動(dòng)電路，有的則要與電機(jī)特性聯(lián)系密切， ，實(shí)現(xiàn)起來難度較大、且可靠性較低。    本系統(tǒng)采用三段式的方法單純利用軟件來實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟動(dòng)，將電機(jī)的啟動(dòng)過程分為預(yù)定位

14、、強(qiáng)制運(yùn)行與同步切換三個(gè)階段。在電機(jī)靜止時(shí)，轉(zhuǎn)子的初始位置未知，需要給設(shè)定的兩相電樞繞組通以短暫的電流，使轉(zhuǎn)子磁極穩(wěn)定在這兩相繞組合成磁場的軸線上，以此作為轉(zhuǎn)子磁極初始位置（即預(yù)定位）。然后按定、轉(zhuǎn)子磁極間正確的空間相位關(guān)系使相應(yīng)的功率器件導(dǎo)通，并以固定的時(shí)間進(jìn)行模式切換，在這段時(shí)間內(nèi)反電勢幅值較小，不宜進(jìn)行過零檢測。    3實(shí)驗(yàn)結(jié)果    將前述控制方案應(yīng)用在直流變頻空調(diào)壓縮機(jī)系統(tǒng)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，電機(jī)極對(duì)數(shù)為2，PWM 載波頻率設(shè)為5 kHz，最大輸出功率為2 kW，調(diào)速范圍為15 110 Hz 。實(shí)驗(yàn)證明，該

15、系統(tǒng)啟動(dòng)平穩(wěn)，調(diào)速控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好，具有良好的控制性能。圖5 是無刷直流電機(jī)三相電壓的波形，圖6 是無刷直流電機(jī)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(zhì)量，從而表明該系統(tǒng)采用的控制策略和算法的可行性和和實(shí)用性。        圖5 三相電壓波形        圖6 三相電流波形    4結(jié)語    直流無刷電機(jī)具有效率高、功率密度大、功率因數(shù)高、體積小、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用范圍非常廣泛。直流無刷電機(jī)的控制技術(shù)