無(wú)位置傳感器的直流無(wú)刷電機控制系統設計與實(shí)現

　　引言

　　傳統上把具有梯形波反電勢的永磁同步電機稱(chēng)為直流無(wú)刷電機。直流無(wú)刷電機的轉矩控制需要轉子位置信息來(lái)實(shí)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(wú)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(wú)刷電機的應用帶來(lái)很多的缺陷與不便：首先，位置傳感器會(huì )增加電機的體積和成本;其次，連線(xiàn)眾多的位置傳感器會(huì )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(huán)境、例如在密封的空調壓縮機中，由于制冷劑的強腐蝕性，常規的位置傳感器根本無(wú)法使用;最后，傳感器的安裝精度還會(huì )影響電機的運行性能，增加了生產(chǎn)的工藝難度。

　　無(wú)位置傳感器控制技術(shù)是近30年來(lái)無(wú)刷直流電機(BLDCM)研究的一個(gè)重要方向。論述了國內外BLDCM無(wú)位置傳感器控制的研究現狀。著(zhù)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(shí)現途徑、應用場(chǎng)合以及優(yōu)缺點(diǎn)等，并對它們作了綜合分析和比較。無(wú)位置傳感器控制就是在沒(méi)有機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(kāi)關(guān)換向導通時(shí)序信號的轉子位置信號仍然是必不可少的，只不過(guò)不再由位置傳感器來(lái)提供，而應該由新的位置信號檢測措施來(lái)代替，即以提高電路和控制的復雜性來(lái)降低電機結構的復雜性。

　　目前，BLDCM無(wú)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(dòng)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(wú)關(guān)位置函數法、反電勢法、基波電勢換向法和狀態(tài)觀(guān)測器法等。

　　1基于反電勢的轉子位置檢測方案

　　無(wú)刷直流電機(BushlessDCMotor，BLDCM)具有無(wú)換向火花、運行可靠、維護方便、結構簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，因而在很多場(chǎng)合得到了廣泛應用。但是傳統的BLDCM需要一個(gè)附加的位置傳感器來(lái)控制轉子位置，這給其應用帶來(lái)了很多不利的影響。BLDCM的無(wú)位置傳感器控制在近30年中一直是國內外較為熱門(mén)的研究課題[1]。目前，對于BLDCM的無(wú)位置傳感器控制，針對不同的性能要求和應用場(chǎng)合，人們已經(jīng)提出了多種不同的控制理論和實(shí)現方法，例如定子電感法、速度無(wú)關(guān)位置函數法、反電勢法、基波電勢換向法、狀態(tài)觀(guān)測器法等。本文在簡(jiǎn)要論述BLDCM無(wú)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(lèi)方法的基本原理、實(shí)現途徑、應用場(chǎng)合及優(yōu)缺點(diǎn)。

　　當電機速度大于零時(shí)，每個(gè)電周期內某相反電勢為零的位置只有兩個(gè)，可以從圖1所示通過(guò)過(guò)零點(diǎn)時(shí)反電勢的斜率來(lái)區分這些位置，每一段對應電周期內的60°區間。換向發(fā)生在每一段的邊界處，反電勢過(guò)零點(diǎn)和需要換向的位置之間有30°的偏移，需要對其進(jìn)行補償。

　　圖1反電勢過(guò)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U相內流經(jīng)正向電流(定義為流向星型連接中心點(diǎn)的電流)，V相內流經(jīng)負相電流時(shí)，對應圖1中區間6Q和1Q時(shí)，此置位的1動(dòng)作。假設通電相的兩端總是對稱(chēng)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(wú)關(guān)。

　　圖2 W相用于反電勢檢測

　　上述方法很容易通過(guò)硬件實(shí)現，即通過(guò)分壓電路對三相的端電壓和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(guò)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(guò)時(shí)器測量60°(即兩次反電勢過(guò)零點(diǎn)之間)的時(shí)間。

　　2DSP控制方案的系統實(shí)現

　　2.1TMS320LF240x芯片簡(jiǎn)介

　　TMS320LF240x系列DSP是TI公司為滿(mǎn)足大范圍的數字電動(dòng)機控制(DMC)應用而設計的。該芯片具有高性能的16位定點(diǎn)DSP內核，采用改進(jìn)的哈佛總線(xiàn)結構，具有專(zhuān)門(mén)的硬件乘法器，采用流水線(xiàn)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(shí)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(mǎn)足無(wú)傳感器直流無(wú)刷電機控制系統對實(shí)時(shí)控制的要求。

　　2.2DSP控制系統的硬件實(shí)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(diǎn)，且需專(zhuān)門(mén)的下載程序)，外加了程序RAM，在程序經(jīng)多次調試，成熟可靠時(shí)可寫(xiě)人內部的FlashROM，通過(guò)設置相應的跳線(xiàn)，DSP復位時(shí)即可從內部的FlashROM來(lái)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(lái)存放臨時(shí)變量。

　　圖3是根據前述控制原理設計的基于DSP的直流無(wú)刷電機控制系統。該系統主要由直流無(wú)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(guò)電壓保護、欠電壓保護以及過(guò)流保護等，當達到保護閾值時(shí)，IPM模塊通過(guò)FO引腳輸出一個(gè)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(dòng)保護中斷，將所有PWM輸出引腳設置為高阻態(tài)，以此來(lái)關(guān)斷驅動(dòng)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(lái)實(shí)現，對電機的三相端電壓及直流母線(xiàn)電壓分別進(jìn)行采樣，并將采樣結果送入比較器進(jìn)行比較，從而得到過(guò)零點(diǎn)的時(shí)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(huán)的控制結構。由于采用了面向電機控制的高速DSP，無(wú)論是速度環(huán)的設計，還是電流環(huán)的實(shí)現，以及各種反饋信號的處理和PWM控制信號的產(chǎn)生，均采用了數字信號處理技術(shù)，用軟件實(shí)現硬件電路的功能，完成直流無(wú)刷電機的實(shí)時(shí)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(shí)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(dòng)控制、速度電流雙閉環(huán)控制、系統監控和故障處理等，因此電機控制程序包括啟動(dòng)子程序、電流和位置檢測中斷服務(wù)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(jìn)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(wù)程序和電流檢測中斷服務(wù)程序來(lái)實(shí)現，轉速的檢測通過(guò)軟件計算間接獲得。為了提高系統的動(dòng)態(tài)性能和穩態(tài)精度。其控制環(huán)路簡(jiǎn)圖如圖4所示。

　　圖4電流和速度控制環(huán)路

　　PWM調制子程序根據檢測到的轉子位置信號和電流信號通過(guò)事件管理器(EV)產(chǎn)生PWM調制信號。通過(guò)定時(shí)器控制寄存器TxCON中的位模式將通用定時(shí)器的計數模式設置為連續增/減計數模式以產(chǎn)生對稱(chēng)的PWM波形。