邵建設(shè)，唐 帥

(1.黃岡師范學(xué)院 電子信息學(xué)院，湖北 黃岡 438000；2.武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430073)

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基于DSP的無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器控制的實(shí)現(xiàn)

邵建設(shè)1,2，唐 帥2

(1.黃岡師范學(xué)院 電子信息學(xué)院，湖北 黃岡 438000；2.武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430073)

在傳統(tǒng)的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中，由于大多采用位置傳感器來(lái)獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，導(dǎo)致電機(jī)體積增加，控制線路變得復(fù)雜，因而限制了無(wú)刷電機(jī)在惡劣環(huán)境中的使用。為了改善位置傳感器使用帶來(lái)的弊端，本文設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)基于美國(guó)德州儀器公司(TI)的數(shù)字信號(hào)處理(DSP)芯片TMS320LF2407A為主控制芯片的無(wú)位置傳感器的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)。采用虛擬中性點(diǎn)提取電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)從而捕捉電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，電機(jī)啟動(dòng)采用三段式，逆變器的上橋臂使用脈寬調(diào)制(PWM)而對(duì)應(yīng)的下橋臂恒定導(dǎo)通，電機(jī)調(diào)速采用速度-電流雙閉環(huán)比例積分(PI)控制。研究結(jié)果表明，電機(jī)能夠平滑穩(wěn)定地啟動(dòng)，整個(gè)控制系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。該文的設(shè)計(jì)方法是行之有效的，具有較重要的工程實(shí)踐借鑒價(jià)值。

DSP；無(wú)刷直流電機(jī)；無(wú)位置傳感器控制技術(shù)；反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)法；三段式啟動(dòng)法

永磁無(wú)刷直流電機(jī)(Brushless DC Motor，BLDCM)是一種利用電子裝置來(lái)代替電刷換向的新型直流電機(jī)，它具有體積小、效率高、無(wú)換向火花、調(diào)速性能好等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用非常廣泛。傳統(tǒng)的無(wú)刷直流電機(jī)大多都采用霍爾傳感器、光電編碼器等來(lái)獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，這就限制了其在如空調(diào)、汽車(chē)、車(chē)床等工作環(huán)境惡劣場(chǎng)合中的應(yīng)用，因此需要采用無(wú)位置傳感器控制技術(shù)[1]，以達(dá)到更好的使用效果。

無(wú)位置傳感器控制技術(shù)是指通過(guò)檢測(cè)電機(jī)定子電壓、電流等信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置估計(jì)的測(cè)量方法。本文采用反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)法來(lái)獲取轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。采用反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)法時(shí)，其中一個(gè)重要的問(wèn)題是電機(jī)的啟動(dòng)問(wèn)題，當(dāng)電機(jī)靜止或轉(zhuǎn)速很低時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)為零或很弱，以致難以檢測(cè)，因此就需要先通過(guò)開(kāi)環(huán)的方式讓電機(jī)啟動(dòng)。本文采用三段式升頻升壓法來(lái)啟動(dòng)電機(jī)。

系統(tǒng)采用TI公司的DSP芯片TMS320LF2407A為主控制器芯片，它是一款專(zhuān)用于電機(jī)控制的16位定點(diǎn)處理器，運(yùn)行頻率可達(dá)40 MHz，有較強(qiáng)的運(yùn)算處理能力，可運(yùn)行高級(jí)控制算法，該芯片具有2個(gè)10位A/D轉(zhuǎn)換單元、12路PWM發(fā)生器、3個(gè)16位通用定時(shí)/計(jì)數(shù)器、4個(gè)捕獲單元以及死區(qū)控制單元，因此非常適用于無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)。

1 無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)的控制

1.1 反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)方法

反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)法是目前技術(shù)較成熟、應(yīng)用較廣的一種檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的方法，無(wú)刷直流電機(jī)采用兩兩導(dǎo)通方式運(yùn)行時(shí)，任意時(shí)刻只有兩相導(dǎo)通，而第三相懸空，因此，根據(jù)無(wú)刷直流電機(jī)的等效電路可知，懸空相的端電壓為[2-8]：

(1)

式(1)中，Unon_fed表示懸空相端電壓；Enon_fed表示懸空相反電動(dòng)勢(shì)；Un表示三相中心點(diǎn)電壓。由此可知，當(dāng)反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零時(shí)，端電壓等于中性點(diǎn)電壓。因此，通過(guò)比較懸空相端電壓與三相中性點(diǎn)電壓，就能得到反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)信號(hào)。反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻再延遲30°電角度即為電機(jī)換相時(shí)刻。由于三相星型連接的無(wú)刷直流電機(jī)中性點(diǎn)無(wú)法引出，故本文采用虛擬中性點(diǎn)比較法來(lái)獲得反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)信號(hào)，其電路原理如圖1所示。

圖1 虛擬中心點(diǎn)比較法電路原理圖

所謂虛擬中性點(diǎn)就是用三個(gè)阻值相等、星型連接的電阻R虛構(gòu)成無(wú)刷直流電機(jī)的中性點(diǎn)，該點(diǎn)的電壓就是三相中性點(diǎn)電壓Un。將電機(jī)三相輸出的端電壓信號(hào)經(jīng)濾波處理后，得到反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，再將該信號(hào)與虛擬中性點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行比較，從而可得反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)信號(hào)，經(jīng)光耦隔離后，送入DSP的CAP捕獲端口。由于低通濾波器會(huì)使反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)產(chǎn)生一定的相移角α，因此，當(dāng)檢測(cè)到反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)信號(hào)后，再延遲電度角(30°-α)，即為電機(jī)的換相時(shí)刻，可用軟件進(jìn)行補(bǔ)償。

1.2 電機(jī)啟動(dòng)方法

本系統(tǒng)采用的是三段式啟動(dòng)法，所謂三段式啟動(dòng)法，就是啟動(dòng)過(guò)程分三個(gè)階段進(jìn)行并用軟件實(shí)現(xiàn)。具體步驟為：第一階段先采用“二次定位”的方法對(duì)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行初始定位，即先給AB相通電，延時(shí)一段時(shí)間，再AC相通電，再延時(shí)一段時(shí)間，這樣就能使電機(jī)的轉(zhuǎn)子準(zhǔn)確地運(yùn)行到AC相狀態(tài)。第二階段進(jìn)行外同步加速，即從AC相狀態(tài)開(kāi)始，按照正轉(zhuǎn)(或反轉(zhuǎn))的相序，依次通電，其通電延遲時(shí)間從大到小慢慢減少，從而讓電機(jī)換向的速度慢慢增加，直到電機(jī)的速度增加到同步切換速度，在這個(gè)過(guò)程中給定PWM占空比也跟隨轉(zhuǎn)速的提高而逐漸增加。整個(gè)啟動(dòng)算法，其核心算法公式為time=(time-time/20)+1，即每步通電的時(shí)間是上一次的(19/20)，這就相當(dāng)于每步的換向時(shí)間越來(lái)越短，讓電機(jī)加速運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動(dòng)。第三階段切換至自同步運(yùn)行，即當(dāng)time值減小到設(shè)定值時(shí)，退出循環(huán)，等待捕獲中斷的發(fā)生，在捕獲中斷中執(zhí)行換相程序，從而切換至同步運(yùn)行。

1.3 電機(jī)PWM調(diào)制策略

本系統(tǒng)采用上橋臂PWM調(diào)制，下橋臂恒通的方法(H_PWM-L_ON)進(jìn)行調(diào)速，其波形如圖2所示。無(wú)刷直流電機(jī)每轉(zhuǎn)一周要換相6次，每60°換相一次，即對(duì)應(yīng)AB、AC、BC、BA、CA、CB的6個(gè)通電狀態(tài)。因此，在每60°區(qū)間內(nèi)總有一個(gè)上橋臂為PWM調(diào)制狀態(tài)，一個(gè)下橋臂保持恒通，因此，通過(guò)改變上橋臂PWM的占空比，就能調(diào)節(jié)電機(jī)供電電壓的有效值，從而達(dá)到調(diào)速的目的。本設(shè)計(jì)中，PWM調(diào)制頻率設(shè)為10 KHz。六路PWM信號(hào)由DSP的事件管理單元EVA產(chǎn)生，經(jīng)IR2130驅(qū)動(dòng)器后，控制逆變橋開(kāi)關(guān)管的通斷。產(chǎn)生H_PWM_L_ON波形的程序設(shè)計(jì)如下：

圖2 H_PWM-L_ON調(diào)制波形

(1)設(shè)置周期寄存器T1PR，使PWM頻率為10KHz；

(2)設(shè)置COMCONA，使能PWM模式，配置ACTRA為立即重載模式；

(3)設(shè)置T1CON，使能定時(shí)器1，配置定時(shí)器1為連續(xù)增減模式，產(chǎn)生對(duì)稱(chēng)PWM波；

(4)設(shè)置DBTCONA，產(chǎn)生死區(qū)時(shí)間；

(5)初始化ACTRA和CMPR1～CMPR3的值，電機(jī)啟動(dòng)后，在CAP捕獲中斷子程序中，根據(jù)CAP1～CAP3端口的狀態(tài)和電機(jī)反饋速度，修改ACTRA和CMPR1～CMPR3的值，從而實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制和開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通邏輯。

1.4 電機(jī)雙閉環(huán)PI控制

采用速度-電流雙閉環(huán)控制(如圖3)，一方面可以使電機(jī)轉(zhuǎn)速跟隨電壓實(shí)時(shí)變化，減小靜差，提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能；另一方面可以在電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)等故障時(shí)限制電機(jī)的電流，避免了電源及負(fù)載波動(dòng)對(duì)電機(jī)的影響，提高了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。本設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)的速度閉環(huán)和電流閉環(huán)均采用PI控制器，其控制原理圖如圖3所示。電機(jī)反饋速度可以根據(jù)反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)位置檢測(cè)信號(hào)計(jì)算得到，計(jì)算公式為[9]：

(2)

式(2)中，f表示反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)頻率；P表示電機(jī)的極對(duì)數(shù)；T_Count表示相鄰兩次換相時(shí)間，可通過(guò)捕獲中斷，利用定時(shí)器來(lái)獲得。

圖3 無(wú)刷直流電機(jī)雙閉環(huán)PI調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)框圖

電流反饋是通過(guò)采樣電阻，并利用DSP的ADC采樣模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的，A/D轉(zhuǎn)換由產(chǎn)生PWM的T1定時(shí)器的周期匹配中斷來(lái)觸發(fā)，這種方式下，AD采樣始終在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通狀態(tài)下進(jìn)行，提高了電流采樣精度。

程序設(shè)計(jì)中，PI調(diào)節(jié)器采用數(shù)字增量式算法，先根據(jù)速度反饋值進(jìn)行速度PI調(diào)節(jié)，得到的結(jié)果作為電流參考值，再與電流反饋值比較，進(jìn)行電流PI調(diào)節(jié)，經(jīng)電流PI調(diào)節(jié)后得到的結(jié)果就決定了PWM的脈寬，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。由于PWM占空比只能在0%～100%，因此要對(duì)PI調(diào)節(jié)器做限幅處理。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)中，無(wú)刷直流電機(jī)工作在兩兩導(dǎo)通(即120°導(dǎo)通)狀態(tài)，其參數(shù)如下：額定功率100 W；額定電壓24 V；額定轉(zhuǎn)速3 000 rpm；額定轉(zhuǎn)矩0.4 N.m；額定電流5.0 A；極對(duì)數(shù)2對(duì)。根據(jù)本文所介紹的設(shè)計(jì)方法，做了大量的實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4-8所示，示波器型號(hào)為T(mén)ektronix TDS2012B。

圖4 DSP輸出的PWM1和PWM2波形 圖5 33%占空比時(shí)U相和V相端電壓波形

圖6 1 500 rpm時(shí)U相端電壓和反電動(dòng)勢(shì)電壓波形 圖7 1 500 rpm時(shí)虛擬中性點(diǎn)和捕獲端口信號(hào)波形

(a) 轉(zhuǎn)速為550 rpm時(shí) (b) 轉(zhuǎn)速為1 000 rpm時(shí)

圖4中，CH1為DSP輸出驅(qū)動(dòng)U相上橋臂開(kāi)關(guān)管的PWM波形，CH2為DSP輸出驅(qū)動(dòng)U相下橋臂開(kāi)關(guān)管的PWM波形；圖5中，CH1為PWM占空比為33%時(shí)U相端電壓波形，CH2為PWM占空比為33%時(shí)V相端電壓波形(CH1和CH2示波器探頭均為×10檔)；圖6中，CH1為電機(jī)轉(zhuǎn)速1 500 rpm時(shí)U相端電壓波形，CH2為電機(jī)轉(zhuǎn)速1 500 rpm時(shí)U相端電壓經(jīng)濾波處理后得到的反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)電壓波形(示波器探頭CH1×10檔，CH2×1檔)；圖7中，CH1為電機(jī)轉(zhuǎn)速1 500 rpm時(shí)虛擬中性點(diǎn)電壓波形，CH2為電機(jī)轉(zhuǎn)速1 500 rpm時(shí)DSP捕獲端口信號(hào)波形。圖8為電機(jī)轉(zhuǎn)速分別為550 rpm和1 000 rpm時(shí)采用無(wú)位置傳感器技術(shù)得到的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)波形和采用霍爾傳感器得到的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)波形，CH1為霍爾傳感器輸出波形，CH2為無(wú)位置傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)信號(hào)波形。

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)波形，分析可得以下結(jié)論：

(1) 由圖4可以看出，由DSP發(fā)出的PWM驅(qū)動(dòng)波形與理論分析的H_PWM_L_ON波形是相同的，低電平有效，同一橋臂的上下兩個(gè)開(kāi)關(guān)管不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通，且在一個(gè)周期內(nèi)，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間占1/3(即導(dǎo)通120°)。

(2) 從圖5的波形圖可知，電機(jī)端電壓幅值為24 V，在一個(gè)周期內(nèi)，電機(jī)每一相導(dǎo)通120°，且每相互差120°，這與無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理相符，同時(shí)也驗(yàn)證了電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式為兩兩導(dǎo)通(即120°導(dǎo)通)。

(3) 從圖6和圖7可以看出，經(jīng)分壓濾波后提取的反電動(dòng)勢(shì)電壓信號(hào)成類(lèi)似正弦波，該信號(hào)與虛擬中性點(diǎn)信號(hào)過(guò)零比較，產(chǎn)生捕獲信號(hào)；在電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 rpm時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)電壓信號(hào)與端電壓信號(hào)相位相差很小，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。

(4) 對(duì)比圖8(a)和(b)可知，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速降到550 rpm時(shí)，由反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路輸出的無(wú)位置傳感器轉(zhuǎn)子位置信號(hào)與霍爾傳感器輸出的位置信號(hào)存在明顯的相位差，電機(jī)運(yùn)行震動(dòng)較大；隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，這兩個(gè)信號(hào)相位差越來(lái)越小，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 000 rpm時(shí)基本吻合，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)；實(shí)驗(yàn)測(cè)得，本設(shè)計(jì)的無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)的調(diào)速范圍為550 rpm～3 000 rpm。

(5) 電機(jī)在空載或輕載時(shí)能可靠啟動(dòng)，并能平滑切換至自同步運(yùn)行；系統(tǒng)采用雙閉環(huán)PI控制時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速控制精度能達(dá)到5%以?xún)?nèi)，且動(dòng)態(tài)運(yùn)行效果良好。

本文介紹了無(wú)刷直流電機(jī)的一種無(wú)位置傳感器控制方法，根據(jù)設(shè)計(jì)方案研制了一套以TMS320LF2407A為核心的無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，并做了大量實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電機(jī)能平滑穩(wěn)定的啟動(dòng)且具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能，本文的設(shè)計(jì)方法是有效可行的，具有一定的工程實(shí)際意義。

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(李鑫)

Realization of the brushless DC motor without position sensor control based on DSP

SHAO Jian-she1,2, TANG Shuai2

(1. School of Electric Information, Huanggang Normal University, Huanggang, 438000；2. School of Electrical Engineering and Information, Wuhan Institute of Technology, Wuhan, 430073)

Traditionally, using position sensors to capture rotor position signal is usually applied in brushless DC motor control system. However, the position sensor used will not only limit the usage of brushless DC motor in harsh environment, but also lead to the increase of motor size and the control circuit complexity. In order to overcome these shortcomings, in this paper, a brushless DC motor control system without position sensor was designed and manufactured based on the TI's Digital Signal Processor (DSP) chip TMS320LF2407A. By detecting the neutral zero-crossing point of motor back, EMF was applied to capture the rotor position signal which makes the motor start through three-steps; pulse width modulation (PWM) was used in controlling converter’s upper bridge while the corresponding lower bridge is always on; and speed-current double closed loop PI regulator was used to control the motor speed. Experimental results show that the motor can start smoothly and stably, and the control system has a good dynamic and static performance. This design method has been proved to be so feasible and effective that it has some engineering significance practically.

DSP; brushless DC motor; sensorless control method; back-EMF zero-crossing detection method; three-steps start control method

O29

A

1003-8078(2014)03-0034-05

2014-05-19 doi 10.3969/j.issn.1003-8078.2014.03.08

邵建設(shè)，男，湖北英山人，副教授，博士，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)、高電壓與絕緣技術(shù)。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11104101)；湖北省教育廳科技項(xiàng)目(Q20102907)；黃岡師范學(xué)院產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目(07cd178) 。