一種無位置傳感器的直流無刷電機控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

引言

傳統(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)在應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、例如在密封的空調壓縮機中，由于制冷劑的強腐蝕性 ，常規(guī)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(xiàn)狀。著重介紹了目前應用和研究較多的幾種常規(guī)方法的基本原理、實現(xiàn)途徑、應用場合以及優(yōu)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(fā)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(shù)法、反電勢法、基波電勢換向法和狀態(tài)觀測器法等。

1 基于反電勢的轉子位置檢測方案

無刷直流電機（Bushless DC Motor，BLDCM）具有無換向火花、運行可靠、維護方便、結構簡單等優(yōu)點，因而在很多場合得到了廣泛應用。但是傳統(tǒng)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(xiàn)方法，例如定子電感法、速度無關位置函數(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(xiàn)途徑、應用場合及優(yōu)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(qū)分這些位置，每一段對應電周期內的60°區(qū)間。換向發(fā)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(qū)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(xiàn)，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(tǒng)實現(xiàn)

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(shù)指令在單周期內即可執(zhí)行完成。TMS320LF240x 可以實現(xiàn)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(shù)，能滿足無傳感器直流無刷電機控制系統(tǒng)對實時控制的要求。

2.2 DSP 控制系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)

DSP系統(tǒng)由TMS320LF2407A與仿真口（JTAG）等外圍電路構成。DSP內部已有32K字的Flash ROM，但為了調試的方便（Flash ROM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Flash ROM，通過設置相應的跳線，DSP復位時即可從內部的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（SARAM）配置到數(shù)據(jù)空間，也用來存放臨時變量。

圖3 是根據(jù)前述控制原理設計的基于DSP 的直流無刷電機控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)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(shù)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3 DSP 控制系統(tǒng)

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(fā)功率驅動保護中斷，將所有PWM 輸出引腳設置為高阻態(tài)，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(xiàn)，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。

2.3 DSP 控制系統(tǒng)的軟件設計

本控制系統(tǒng)采用速度、電流雙閉環(huán)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(huán)的設計，還是電流環(huán)的實現(xiàn)，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(shù)字信號處理技術，用軟件實現(xiàn)硬件電路的功能，完成直流無刷電機的實時控制。

控制系統(tǒng)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(tǒng)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(huán)控制、系統(tǒng)監(jiān)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(tǒng)監(jiān)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(huán)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(xiàn)，轉速的檢測通過軟件計算間接獲得。為了提高系統(tǒng)的動態(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 調制子程序根據(jù)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(shù)模式設置為連續(xù)增/ 減計數(shù)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(tài)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(lián)系密切， ，實現(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現(xiàn)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(wěn)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(tǒng)上進行實驗驗證，電機極對數(shù)為2，PWM 載波頻率設為5 kHz，最大輸出功率為2 kW，調速范圍為15～ ～110 Hz 。實驗證明，該系統(tǒng)啟動平穩(wěn)，調速控制系統(tǒng)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(tǒng)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(shù)高、體積小、控制精度高等優(yōu)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(tǒng)的有位置傳感器的閉環(huán)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(tǒng)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(tǒng)的軟、硬件結構。該控制系統(tǒng)具有良好的控制性能和調速性能，可以獲得較好的動態(tài)特性和較高的穩(wěn)態(tài)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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