中國科學院長春光學精密機械與物理研究所 張立文 郭同健 付云博 曹策

無霍爾傳感器無刷直流電機具有體積小、成本低、壽命長、安裝簡單等優(yōu)點，在工業(yè)自動化、軍工航天等眾多領(lǐng)域中應(yīng)用越來越廣泛。電流環(huán)是無刷直流電機控制中關(guān)鍵的一環(huán)，對于維持恒定力矩輸出起到重要作用，如何設(shè)計出動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能好、帶寬高的數(shù)字電流環(huán)是無刷直流電機控制的重點。本文設(shè)計了一種基于DSP2812數(shù)字信號處理器的無霍爾無刷直流電機電流環(huán)控制系統(tǒng)，重點解決無霍爾無刷直流電機電流環(huán)設(shè)計中的電角度精確標定、電流環(huán)建模與參數(shù)設(shè)計、系統(tǒng)軟硬件實現(xiàn)等內(nèi)容，在實際工程項目中取得了良好的應(yīng)用效果。

無刷直流電機（BLDC）是指無電刷和換向器的電機，具有體積小、重量輕、調(diào)速性能好、壽命長、效率高等優(yōu)點，應(yīng)用越來越廣泛。相比傳統(tǒng)的有霍爾傳感器的無刷直流電機，無霍爾無刷直流電機具有體積小、成本低、可靠性高等優(yōu)點，電機線由8根減少到3根，安裝簡單，已被廣泛應(yīng)用于在工業(yè)自動化、軍事對抗、航空航天等眾多領(lǐng)域。電流環(huán)是無刷直流電機控制中的關(guān)鍵一環(huán)，電流環(huán)主要用于調(diào)節(jié)電機電流，維持恒定力矩輸出，減小轉(zhuǎn)矩波動，還具有限制啟動電流以提高系統(tǒng)安全性以及增加系統(tǒng)的抗干擾能力等作用。本文從工程應(yīng)用角度出發(fā)，設(shè)計了一種基于DSP2812數(shù)字信號處理器的無霍爾BLDC電流環(huán)控制系統(tǒng)。

1 電流環(huán)控制算法設(shè)計

1.1 矢量控制策略

無刷直流電機控制采用SVPWM空間矢量控制，空間矢量控制法將360°的電壓空間分為6個扇區(qū)，利用6個基本有效矢量和2個零量的不同組合可合成360°內(nèi)的任何矢量[1]，電壓空間矢量圖如圖1所示。當采用SVPWM空間矢量控制時，需要進行空間坐標變換（即Clarke和Park變換，及相應(yīng)的反變換），實現(xiàn)abc三相靜止坐標系、α-β兩相靜止坐標系、d-q兩相旋轉(zhuǎn)坐標系之間的坐標轉(zhuǎn)換，坐標變換需要用到電角度，電角度θ就是隨時間變化的d軸和α軸之間的夾角。

圖1 電壓空間矢量圖Fig.1 Voltage space vector diagram

無刷直流電機的電流環(huán)控制采用矢量控制策略，其工作原理如圖2所示。采樣得到的電機三相電流Ia、Ib、Ic經(jīng)過Clark變換和Park變換后得到旋轉(zhuǎn)坐標系下的Iq、Id，Iq和Id分別與輸入的電流設(shè)定值相減計算得到電流誤差值，q軸電流誤差值經(jīng)q軸電流調(diào)節(jié)器校正后得到q軸電壓Uq，d軸電流誤差值經(jīng)d軸電流調(diào)節(jié)器校正得到d軸電壓Ud，然后Uq和Ud進行反Park變換得到兩相靜止坐標系下的Uα和Uβ，Uα和Uβ再經(jīng)過SVPWM算法得到Ua, Ub, Uc，從而控制無刷直流電機轉(zhuǎn)動[2]。

圖2 電流環(huán)工作原理圖Fig.2 Working principle diagram of current loop

系統(tǒng)控制采用的無刷直流電機的主要參數(shù)如表1所示。

表1 電機參數(shù)表Tab.1 Motor parameters

1.2 機械角度和電角度標定

電流環(huán)矢量控制中，坐標轉(zhuǎn)換需要用到電角度，因此電角度的標定對于無刷電機的正常運轉(zhuǎn)至關(guān)重要。無刷直流電機的電角度和機械角度之間存在以下關(guān)系：

電角度 = 機械角度×電機極對數(shù)

對于有霍爾元件的無刷電機，電角度通過霍爾傳感器檢測得到，而對于無霍爾傳感器的無刷電機，電角度標定多采用反電動勢法[3]。反電勢法主要是通過檢測電機的反電動勢來獲取轉(zhuǎn)子的位置信號，檢測精度不高，當PWM占空比很小時，電機轉(zhuǎn)速較低，反電動勢也會很小，因此檢測的精度會受到限制。

本文采用外接編碼器的方式精確標定電機電角度，非常適合于具有編碼器的高精度定位的應(yīng)用場合。具體標定方法是按照空間電壓矢量狀態(tài)100、110、010、011、001、101的順序給電機的三相依次通電，電機會每次轉(zhuǎn)動一定角度，記錄下每一步機械角度（編碼器值）的角度變化，再根據(jù)電角度和機械角度的對應(yīng)關(guān)系，即可推算出電角度值，為提高標定精度，可采取多點測量取平均值的方式進行標定處理。

1.3 電流環(huán)控制參數(shù)設(shè)計

無刷直流電機的電流環(huán)簡化動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)簡化圖Fig.3 Simplified dynamic structure diagram of current loop

其中，Tε為小時間常數(shù)的近似和，Tl為電機的電氣時間常數(shù)，ACR為電路環(huán)調(diào)節(jié)器，ACR調(diào)節(jié)的目的是消掉控制對象中的大時間常數(shù)極點[4]，將系統(tǒng)校正成典型I型系統(tǒng)。

由于q軸和d軸電流環(huán)控制方法類似，本文以q軸電流環(huán)為例進行說明。根據(jù)電機參數(shù)，經(jīng)計算及實際系統(tǒng)參數(shù)辨識可得到電機q軸電流環(huán)被控對象的傳遞函數(shù)為：

將q軸電流環(huán)調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)設(shè)計為：

根據(jù)Matlab軟件仿真，q軸電流的開環(huán)頻率特性曲線如圖4所示，開環(huán)截止頻率為1370rad/s，相位裕度為74.7°，滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性要求[5]。

圖4 電流環(huán)的開環(huán)頻率特性曲線Fig.4 Open loop frequency characteristic curve of current loop

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件采用TMS320F2812數(shù)字信號處理器作為核心，該處理器內(nèi)部集成了SCI、ADC、PWM等豐富的增強型外設(shè)資源[6]，適合用于電機控制系統(tǒng)的核心處理器。系統(tǒng)硬件電路設(shè)計的結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 System hardware circuit structure block diagram

使用電流傳感器采集電機電流，利用DSP處理器內(nèi)部的AD模塊進行采樣，利用ADC的外部觸發(fā)能力進行采樣點控制，在PWM載波的起始點和中間點時采樣出的電流紋波最小，最接近真實電流，因為Ia+Ib+Ic=0，故直接采樣其中兩相電流即可，第三相可通過計算得到，另外在電流采集電路設(shè)計時，需加信號調(diào)整電路進行電壓調(diào)整，同時為減小電流噪聲，增加濾波電容對電流進行濾波。

系統(tǒng)選用18位絕對式光電編碼器，利用485串口采集編碼器數(shù)據(jù)，對于具有位置環(huán)和速度環(huán)的控制系統(tǒng)，編碼器值可直接用于位置環(huán)的位置反饋值，編碼器值經(jīng)微分測速可用于速度環(huán)的速度反饋值。電機驅(qū)動器選用三相橋式MOSFET智能集成型控制器，它具有欠壓鎖定保護、可編程死區(qū)時間控制、低電平有效使能關(guān)斷控制等功能，利用DSP2812內(nèi)部的PWM模塊產(chǎn)生6路PWM信號，PWM信號經(jīng)光耦隔離后輸出至電機驅(qū)動器功率驅(qū)動器的6個功率開關(guān)的控制橋臂，通過控制功率開關(guān)的導通與關(guān)閉驅(qū)動無刷直流電機轉(zhuǎn)動。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件基于DSP2812進行設(shè)計，采用C語言進行程序編程，軟件設(shè)計流程框圖如圖6所示。

圖6 軟件程序設(shè)計流程圖Fig.6 Software programming flow char

電流環(huán)采樣頻率選取為10kHz，電流環(huán)的控制算法實現(xiàn)時，需要將電流調(diào)節(jié)器的模型進行離散化處理[7]，電流環(huán)調(diào)節(jié)器的離散化采用增量式PI調(diào)節(jié)器[8]，增量式PI調(diào)節(jié)器的離散化公式為：

其中，Kp為比例系數(shù)，Ki為積分系數(shù)。

3 實驗結(jié)果

完成了系統(tǒng)軟硬件設(shè)計和系統(tǒng)搭建后，可進行實驗驗證，電流閉環(huán)后對輸入值為0.5A的電流跟隨效果如圖7所示，可以看到，電流環(huán)動態(tài)跟蹤性能良好，超調(diào)量小于9%，跟蹤精度小于20mA，電流閉環(huán)的動態(tài)和問題性能良好，電流環(huán)閉環(huán)帶寬可達300Hz。

圖7 電流跟隨實驗效果圖Fig.7 Effect drawing of current following experiment

4 結(jié)語

本文根據(jù)實際工程項目需求，設(shè)計并實現(xiàn)了一種無霍爾傳感器的無刷直流電機電流環(huán)控制系統(tǒng)，重點解決了利用編碼器進行無霍爾無刷電機控制中的機械角度到電角度的精確標定問題，實現(xiàn)了數(shù)字電流環(huán)的系統(tǒng)建模和參數(shù)設(shè)計仿真，實現(xiàn)了SVPWM矢量控制算法進行無刷電機控制，并完成了基于數(shù)字信號處理器的無刷電機電流環(huán)硬件控制系統(tǒng)設(shè)計和軟件算法設(shè)計，經(jīng)實驗測試和數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，電流環(huán)的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性良好，電路環(huán)系統(tǒng)帶寬可達300Hz，電機輸出力矩平穩(wěn)，系統(tǒng)已在實際工程項目中得到了很好的應(yīng)用。

引用

[1] 阮毅,陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)-運動控制系統(tǒng)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009.

[2] 龔金國.基于DSP的無刷直流電機數(shù)字控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].西安:西安理工大學,2005.

[3] 陳自然,趙有祥,劉小康,等.基于檢測單元的永磁同步直線電機位置檢測新技術(shù)[J].儀器儀表學報,2020,12(41):48-54.

[4] 譚建成.永磁無刷直流電機技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2011.

[5] 李曉東.MATLAB R2016a控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真35個案例分析[M].北京:清華大學出版社,2018.

[6] 董勝.DSP技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:北京大學出版社,2013.

[7] 胡松濤.自動控制原理[M].北京:科學出版社,2007.

[8] 龔金國.基于DSP的無刷直流電機數(shù)字控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].西安:西安理工大學,2005.