寇治國

(杭州電子科技大學電子信息學院,浙江杭州310018)

無刷電機反電勢IIR濾波及其DSP實現(xiàn)

寇治國

(杭州電子科技大學電子信息學院,浙江杭州310018)

轉(zhuǎn)子位置信息的獲得是無位置傳感器無刷直流電動機控制的關鍵,傳統(tǒng)的反電勢檢測法在濾除高頻干擾時的相位延遲難于補償;通過在DSP上實現(xiàn)反電勢信號的IIR數(shù)字濾波,消除噪聲對反電勢信號的影響,獲得正確的反電勢過零點。該方法在基于DSP的無位置傳感器無刷直流電動機控制平臺上進行實驗驗證,實測數(shù)據(jù)證明該方法可以有效濾除高頻干擾,準確的獲得反電勢過零點,性能可靠,靈活性和實用性較高。

無刷直流電機;反電勢過零點檢測;數(shù)字濾波;相位延遲

0 引 言

無刷直流電機應用電子換相替代機械換相,使電機不但具有傳統(tǒng)的直流電機良好的調(diào)速性能,而且壽命長、維護簡單,在眾多領域得到了廣泛應用。采用無位置傳感器控制技術以后,克服了有位置傳感器的許多弊病,進一步拓寬了無刷直流電機的應用領域。目前,無刷直流電機無位置傳感器控制技術已成為無刷直流電機控制技術的一個重要發(fā)展方向,無位置傳感器控制技術研究的核心和關鍵是設計一個檢測轉(zhuǎn)子位置信號的方法,可以從軟硬件兩個方面來間接獲得轉(zhuǎn)子位置信號。近年來,國內(nèi)外出現(xiàn)了很多位置檢測估計方法,其中較為成熟的主要有：反電勢法、反電勢積分法、續(xù)流二極管法和狀態(tài)觀測器法[1]。其中,反電勢法算法簡單、軟硬件比較容易實現(xiàn)、可靠性高和成本較低,是目前無位置傳感器無刷直流電機中最常用的一種控制方法。但傳統(tǒng)的反電勢法無位置傳感器將端電壓作分壓模擬低通濾波處理后,由于濾波器的相位延遲導致獲得的轉(zhuǎn)子位置信號比真正的反電勢過零點延遲了一定的角度,而且該相位延遲角隨頻率的不同而不同。這就要求通過實驗測量出不同運行頻率下的換相延遲角,用于補償相位偏移,而且延遲角一旦大于30°,造成因為換相不準而導致電機失步。所以傳統(tǒng)反電勢法無位置傳感器存在換相角計算復雜,運行頻率不高的缺點。本文提出了一種改進后的無位置傳感器控制方法,介紹了該方法的基本原理和檢測電路,并通過實驗分析了改進后的無位置傳感器控制器的優(yōu)點。

1 反電勢法基本原理

反電動勢是永磁式電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時,由定子繞組所產(chǎn)生的電壓,反電動勢的幅值與電機轉(zhuǎn)速成正比。反電勢法確定換相時刻的基本原理是在忽略永磁無刷直電動機電樞反應影響的前提下,通過檢測“斷開相的反電勢過零點”,來依次得到轉(zhuǎn)子的6個關鍵的轉(zhuǎn)子位置信號,并以此作為參考依據(jù),輪流觸發(fā)導通逆變器的功率管,驅(qū)動電動機正常運轉(zhuǎn),所以反電勢過零點的檢測是反電勢檢測法的關鍵,但是端電壓信號中含有PWM斬波信號及換向時因電樞繞組電流引起的電抗電勢等干擾信號,使端電壓波形發(fā)生畸變,反電勢波形中會出現(xiàn)多個零點信號,影響電機正常的轉(zhuǎn)換邏輯,使電機無法正常工作。要消除這些干擾信號對電機換向產(chǎn)生的影響,常采用的方法是將端電壓進行低通濾波,濾除這些高頻干擾信號,然后與參考電平比較,獲得繞組反電勢的過零點。

2 數(shù)字濾波

無刷直流電機的反電動勢信號不是一個平滑的信號,從其他相耦合的PWM噪聲使得不能準確檢測到該信號的過零事件,因此必須對該信號進行濾波[2],但是,對信號進行濾波存在一個固有的缺點,無論信號濾波是以數(shù)字式完成還是在硬件電路中完成,濾波信號與實際信號相比總是存在一些相位延遲。但是,與硬件電路濾波相比,使用數(shù)字濾波器時,給定濾波器的要求以及反電動勢信號的頻率就可以準確的計算出相位延遲,然后將下次換相的刻減去計算出來的相位延遲,就可以準確的進行電機換相。本文使用了IIR濾波器,因為與具有類似響應特征的FIR濾波器相比,FIR濾波器需要更高階數(shù),所以IIR濾波器DSP運算的時間相對較短,而且IIR濾波器與有類似響應的FIR濾波器相比,具有更短的相位延遲周期[3]。

圖1 濾波器特性

本文使用Matlab來設計IIR濾波器。在實時處理中,若濾波器階數(shù)過大,將會導致系統(tǒng)數(shù)學計算的處理時間過長,難以滿足實時性。因此,要求在滿足濾波要求的情況下,濾波器階數(shù)盡量小。在此系統(tǒng)中需要濾除的高頻干擾為頻率為20kHz的PWM斬波信號,保留頻率較小的低頻反電勢信號,并且在滿足條件下使濾波器的階數(shù)最低,通過權衡奈閨斯特定理以及DSP的AD轉(zhuǎn)換器的性能,選擇濾波器的采樣頻率50kHz,帶通頻率4kHz,帶阻頻率8kHz,濾波器階為5階。設計出的濾波器頻率響應特性、群延遲特征如圖2所示,群延遲曲線顯示了濾波信號相對于給定電氣旋轉(zhuǎn)頻率的實際反電動勢信號的延遲。假設一個4極對電機最大轉(zhuǎn)速為10 000 r/min,即每秒最大電氣旋轉(zhuǎn)為666.7轉(zhuǎn)。按照圖1的群延遲曲線,在666.7Hz處濾波信號將有約127μs的相位延遲。在0Hz時,相位延遲約為125μs。兩個延遲時間的差異可忽略,因此在電機的整個速度范圍中可將相位延遲當作一個常量。

3 DSP控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

本文的無刷電機控制體統(tǒng)結構如圖2所示,處理器采用TI公司最新推出的C2000系列的TMS320F28035,該處理器與其它的DSP有了很大的改進[4,5],它集成度高,除了內(nèi)部集成了RAM和FLASH/OTPROM,配備兩個工作頻率10MHz的片上振蕩器,采用單電源供電,只要3.3V就可以穩(wěn)定工作,所以本控制系統(tǒng)集成度高,性能強而成本低,反電勢的電壓由DSP內(nèi)部集成的ADC高速轉(zhuǎn)換,該ADC具有12位的分辨率,使用內(nèi)部參考源也可以達到10.9位的精度。本系統(tǒng)最為重要的是使用了F2803X系列DSP芯片中獨具的浮點控制律加速器(CLA)技術。CLA是一款32位浮點數(shù)學加速器,能獨立于C28x內(nèi)核進行工作,CLA自帶中斷控制器,并可直接訪問ADC與EPWM等外設,從而可實現(xiàn)對片上外設的直接存取以及算法的并行執(zhí)行,獨立執(zhí)行控制環(huán)路算法,并可與C28x并行工作。從而將該CPU解放出來用以處理I/O與反饋回路,可使通用閉環(huán)應用性能提高5倍,信號流程為：先使用簡單的電阻分壓網(wǎng)絡采集電機的三相端電壓和電源電壓信號,直接進入DSP進行高速模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC),ADC的轉(zhuǎn)換頻率為50kHz,高于采樣信號中最高頻率為20kHz的PWM信號的2倍,滿足奈閨斯特取樣定理,當AD轉(zhuǎn)換完成后,AD模塊產(chǎn)生中斷觸發(fā)CLA處理器直接讀取轉(zhuǎn)換結果,及進行IIR濾波的乘加等運算;C28x主處理器負責定時比較CLA的濾波結果,當產(chǎn)生反電勢過零信號后,控制PWM模塊進行換相,驅(qū)動電機正常運轉(zhuǎn)。

圖2 系統(tǒng)結構圖

本文采用基于反電勢IIR濾波的DSP控制器來對無位置傳感器BLDC進行控制。BLDC參數(shù)為：額定電壓24V,極對數(shù)4極,額定轉(zhuǎn)矩0.4N·m,額定轉(zhuǎn)速4 000 r/m in。圖3為實測的BLDCM反電勢在濾波前和濾波后的圖形。從圖3結果中可以看出,使用IIR濾波器可以可靠地濾除高頻干擾,由濾波后得到的反電勢過零點以及相位補償值可以準確的獲得換相信號,具有較好的實用性。

4 結束語

本文針對無位置傳感器BLDC的反電勢過零點檢測進行了研究,采用IIR濾波器濾除反電勢信號中存在的噪聲,濾除由噪聲干擾產(chǎn)生的虛假過零點,獲得正確的反電勢過零點信息,完成無位置傳感器BLDC的準確換相。實驗結果證明,該方法可以有效濾除反電勢虛假過零點,實現(xiàn)無位置傳感器無刷直流電動機的可靠、平穩(wěn)運行。

[1]曹少泳,程小華.無刷直流電機無位置傳感器的轉(zhuǎn)子位置檢測方法綜述[J].防爆電機,2007,42(1)：35-39.

[2]彭國富,周洪,但偉.一種基于混合數(shù)字濾波器的過零檢測技術[J].微計算機信息(測控自動化),2008,24(4)：274-276.

[3]OlliVainio,Seppo JOvaska.Noise Reduction in Zero Crossing Detection by Predictive DirtalFiltering[J].IEEETransactions on,1995,42(1)：58-62.

[4]Texax Instruments Company.TMS320F2803x(Piccolo?)MCUs datasheet[EB/OL].http：//focus.ti.com/docs,2009-10-25.

[5]Texax Instruments Company.TMS320x2803x Piccolo Control Law Accelerator(CLA)Reference Guide(Rev.A)[EB/OL].http：//focus.ti.com/docs,2009-10-25.

圖3 實測的反電勢濾波前后波形圖

The IIR Filter for Back-EMF of Brushless DC Motor and DSP Implement KOU Zhi-guo

(School of Electronics Information,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou Zhejiang310018,China)

Brushless DCmotor controlkey is to obtain rotor position information,but traditional back-EMF detection is difficult to compensate the phase delay in thehigh-frequency interference filter.this paper describesa technicalof IIR digital filter for back-EMF signalusing DSP,which can eliminate thenoise effect through back-EMF signal and identify the zero-crosseventaccurately.Theexperimentalresultwell demonstrates thatthe adopted controlmethod can filter out interference of high frequency effectively,acquire the back-EMF zero-crossing accurately and provides desirable reliability,flexible and practicability.

brushless DCmotor;back-EMF zero-crossing detection;digital filter;phase delay

TM 383.6

A

1001-9146(2010)05-0049-04

2010-07-20

寇治國(1980-),男,遼寧朝陽人,在讀研究生,新型電子器件研究與應用.