無(wú)傳感器單電流檢測的無(wú)刷直流電機控制

直流電動(dòng)機以其優(yōu)秀的線(xiàn)形機械特性、較寬的調速范圍、大的啟動(dòng)轉矩、控制方法較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在各種驅動(dòng)、伺服系統中有著(zhù)廣泛的應用[1]，但傳統的直流電機中的電刷和換向器由于直接接觸、摩擦造成的磨損、火花、噪聲等是一個(gè)不可忽視的問(wèn)題。永磁無(wú)刷直流電機(PMBLDCM，以下直接簡(jiǎn)稱(chēng)為BLDCM)利用電子換向替代了機械換向，沒(méi)有磨損、火花，噪聲大大減小，目前有著(zhù)大量的應用，但如何實(shí)現最低成本的最優(yōu)化控制，迄今為止尚無(wú)完美的解決方案。本文給出了較之大部分控制方法成本更加低廉、結構更加簡(jiǎn)單的解決方案，并通過(guò)實(shí)驗進(jìn)行了驗證。

對于無(wú)刷直流電機，控制方法的核心是要獲得電機位置或速度的實(shí)時(shí)信息。目前獲得位置、速度信息的方法主要有兩種：1.依靠霍耳元件或者碼盤(pán)來(lái)獲得位置、速度信號[2]，這種方法比較直觀(guān)簡(jiǎn)單，但是存在如下問(wèn)題：增加了器件成本，在無(wú)法加裝傳感器的時(shí)候無(wú)效;2.無(wú)傳感器(Sensorless)方法，即不加裝傳感器，目前主要有反電動(dòng)勢過(guò)零檢測法[3][4]、三次諧波分析法[5]、Kalman預測法[6]，而這幾類(lèi)方法大都局限于反電動(dòng)勢為梯形的BLDCM，而且有的需要加裝特別的外部電路[3][4]，在一些場(chǎng)合下無(wú)法實(shí)現;有的算法復雜，會(huì )造成較大的實(shí)時(shí)誤差[6]，也不是很實(shí)用。目前一些公司如NEC，Renesas已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了針對正弦反電動(dòng)勢BLDCM的無(wú)傳感器的控制芯片，但是價(jià)格貴，調試繁瑣，升級不方便是很大的問(wèn)題。本文給出了一種新的針對正弦反電動(dòng)勢電機的控制方法，控制采用了TI公司DSP芯片(TMS320LF2407A)，核心代碼完全用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，便于調試、升級，同時(shí)實(shí)現了很好的啟動(dòng)和調速功能，并對整個(gè)電路進(jìn)行了最大的簡(jiǎn)化，無(wú)需加裝特別的采樣電路，利用系統中的電路保護電阻完成對電流的采樣。

2系統結構綜述

參考圖1，本系統中通過(guò)單電流采樣，在DSP中實(shí)現電流鑒別算法和濾波算法，得到對應的三相電流，通過(guò)速度位置估算算法計算出電機轉子的當前位置和速度，然后利用PI反饋算法生成新的PWM作用于電機之上，完成一個(gè)控制流程。這樣循環(huán)往復，實(shí)現了電機從啟動(dòng)到正常運轉以及調速的功能，下面將分別闡述各部分的原理與實(shí)現。

圖1 BLDC控制系統示意圖

3單電流采樣的實(shí)現

如圖2所示，電機的驅動(dòng)采用了七段式的空間矢量法(SVPWM，Space Vector PWM)，利用六個(gè)依次相差60度的基本矢量和全0矢量(與全1矢量等效)，根據不同的作用時(shí)間合成按給定轉速作圓周轉動(dòng)的旋轉矢量。

圖2 SVPWM波形生成及單電流采樣示意圖

從上圖中我們可以看出，一個(gè)SVPWM周期可以劃分成七個(gè)小的時(shí)間段(此即七段法名稱(chēng)的由來(lái))，不同的時(shí)間段對應不同的開(kāi)關(guān)管控制電壓，不同的控制電壓造成了逆變電路*率開(kāi)關(guān)管不同的通斷狀態(tài)，而不同的通斷狀態(tài)則對應著(zhù)不同的電流流向，因此只要我們知道了當前的電流流向狀態(tài)，就可以從兩次不同時(shí)間的采樣電流(分別對應若干電流之和)中提取出需要的電流。以第0扇區為例(如圖2右側所示)，在第一次電流采樣中得到了Iu，第二次得到了(Iu+Iv)，由于在很短的時(shí)間內，電流不會(huì )發(fā)生突變，這樣就可以根據(Iu+Iv+Iw=0)推算出三相電流，完成了單電流采樣(One-shunt current detection)。