曾麗，吳浩烈，肖 瑩(1武漢工程大學電氣信息學院，武漢430073；2貴州大學電氣工程學院，貴陽摘要：介紹了基于dsp的無位置傳感器無刷直流電機控制系統(tǒng)的設計。本系統(tǒng)采用反電動勢法估算轉(zhuǎn)子位置信號，針對電動機起動時反電動勢比較小，難以得到有效的轉(zhuǎn)子位置信號的缺點，提出了二次定位法，并在起動過程中加入電流閉環(huán)控制算法。該文從硬件和軟件兩方面詳細介紹了控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，實驗結(jié)果驗證了該控制方案的可行性。
無刷直流電動機是利用電子換相技術(shù)代替電刷機械換相的新型機電一體化電機。，它既具有交流電動機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等一系列優(yōu)點，又具有直流電動機運行效率高、調(diào)速性能好而無機械換相等諸多特點，故在當今國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域的應用日益普及。傳統(tǒng)的無刷直流電動機需要位置傳感器向逆變橋提供換相信號，位置傳感器的使用增加了電機體積和成本，降低了電機的可靠性；而且在惡劣工作環(huán)境中常規(guī)傳感器無法使用。針對位置傳感器的種種弊端，提出了通過對電動機電壓、電流等信號的檢測和處理來獲得轉(zhuǎn)子的位置信號，從而實現(xiàn)無位置傳感器的控制系統(tǒng)。已有的方法有反電動勢法、電感法、續(xù)流二極管法、狀態(tài)觀測器法等：本文采用性能最穩(wěn)定的反電動勢法估算電機轉(zhuǎn)子位置，設計了基于dsp的無位置傳感器無刷直流電機控制系統(tǒng)。
本系統(tǒng)考慮到可靠性及技術(shù)成本，采用反電動勢過零檢測法來獲取轉(zhuǎn)子位置信號，該方法是目前最穩(wěn)定的轉(zhuǎn)子位置檢測法：圖1為無刷直流電機工作在兩兩通電六狀態(tài)下的反電動勢與相電流波形。
從圖中可以看出在某一相繞組不通電的60°電角度過程中，該相繞組的反電動勢波形有一個過零點，它位于梯形斜邊的中點。無刷直流電動機每轉(zhuǎn)過360°電角度，每一相反電動勢將過零兩次。反電動勢過零點檢測換相的主要思想就是通過檢測這個過零點的位置，在零點之后延時30°電角度控制逆變器使電動機換相到下一個狀態(tài)。
由于反電動勢的大小與電機的轉(zhuǎn)速成正比，當電機靜止或轉(zhuǎn)速較低時，反電動勢信號沒有或較弱，難以檢測。通常先將電動機開環(huán)起動至一定轉(zhuǎn)速后
再切換到反電動勢閉環(huán)運行狀態(tài)，已有的方法有外同步起動、預定位起動等。預定位起動是先給預先設定的兩相繞組通以短暫的直流電，使得轉(zhuǎn)子磁極穩(wěn)定在這兩相繞組合成磁勢的軸線位置，以此作為轉(zhuǎn)子磁極初始位置，實現(xiàn)預定位。如圖2(a)所示，定子繞組a、b通電，(：相斷開，將轉(zhuǎn)子強行定位在合成磁勢fa的方向上：但是，由于轉(zhuǎn)子位置不確定，在定位時如果轉(zhuǎn)子恰好處于圖2(b)所示位置時，轉(zhuǎn)子就不會旋轉(zhuǎn)到圖2(a)所示位置，定位失�。簽榻鉀Q這一問題，本文提出二次定位法，即在第一次定位基礎上進行第二次定位。
起動過程分四步：
①先將a、b通電，c相斷開，持續(xù)一段時問完成第一次定位，這時轉(zhuǎn)子可能在圖2(a)所示位置，也町能在圖2(b)所示位置。然后導通a、c兩相，b相關(guān)斷，再持續(xù)一段時間，實現(xiàn)第二次定位。
不論第一次定位是否成功，這時轉(zhuǎn)子都會旋轉(zhuǎn)到圖2(c)所示位置。
②起動算法預先設置一個換相延時時間，即電動機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)60。電角度所用的時間，這個時間間隔由軟件延時控制，且該時間間隔不變。
③按照電機旋轉(zhuǎn)方向給下一個狀態(tài)的兩相繞組通電，如順時針旋轉(zhuǎn)的話，按b—a(電流由b流向a，c相關(guān)斷)，c—a，c—b，a—b，a—c，b—c的換相順序給繞組饋電一個換相周期。并在此時加入電流閉環(huán)控制算法，以調(diào)節(jié)pwm波占空比控制電機的輸出電壓。
⑧轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周后，電機具有一定轉(zhuǎn)速，這時起動反電動勢過零檢測算法。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)二周之后，由位置檢測算法可得到電動機的旋轉(zhuǎn)速度，從而知道轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)60。電角度所用的時間，用這個時間更新預先設置的換相時間，進入無位置傳感器閉環(huán)運行狀態(tài)：
3控制系統(tǒng)設計
本系統(tǒng)采用tms320lf2407為系統(tǒng)控制核心，建立了無位置傳感器無刷直流電動機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，圖3為控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖。
主電路向無刷直流電動機供電，調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓就可以調(diào)節(jié)無刷直流電機的電流大小，從而調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩：當電磁轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩平衡時，系統(tǒng)的速度達到給定速度。圖巾虛線框內(nèi)表示的是dsp數(shù)字處理部分，系統(tǒng)外環(huán)為速度環(huán)，速度環(huán)使轉(zhuǎn)速跟隨給定值變化，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)無靜差，對負載變化起抗擾作用，并能獲得較高的調(diào)速精度。
采用積分分離的pi調(diào)節(jié)。輸出限幅決定于電機允許的****電流：內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，電流環(huán)使電流跟隨電流給定的變化，保證起動時電機能獲得允許的****電流，能提高系統(tǒng)的動態(tài)性能，采用pi調(diào)節(jié)。速度調(diào)節(jié)器及電流調(diào)節(jié)器的功能都由dsp采用數(shù)字調(diào)節(jié)器來實現(xiàn)，這樣既省去了大部分模擬器件，又提高了系統(tǒng)可靠性。
4系統(tǒng)硬件設計
由于tms320lf2407內(nèi)部集成了大量用于電機控制的外同電路，能夠使系統(tǒng)外圍電路結(jié)構(gòu)相對簡單，控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)見圖3。
本系統(tǒng)由bldcm，主電路，端電壓檢測電路，電流采樣，過流檢測，母線電壓采樣，隔離電路，ipm故障檢測電路及tms320lf2407組成。
tms320lf2407帶16路內(nèi)置采樣／保持的10位a／d轉(zhuǎn)換器，可實時地對電機的電壓及電流進行采樣。
本系統(tǒng)沒有速度檢測部分，利用dsp高速的運算能力，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信號設計了簡單的算法間接計算得到電機的速度，簡化了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)更經(jīng)濟、可靠。。tms320lf2407芯片內(nèi)有12路pwm產(chǎn)生電路，這里使用eva模塊通過相應設置后輸出6路方波信號，經(jīng)過隔離驅(qū)動電路控制相應功率開關(guān)管的通斷，實現(xiàn)對電動機的正確換相。
4。1主電路
主電路包括三相整流、濾波、逆變。三相交流電經(jīng)過空氣開關(guān)和快速熔斷器，由二極管組成的三相橋式整流模塊整流后，變成直流脈動電壓。：為了減少直流脈動，在整流橋的輸出端接大電容進行濾波，使電壓的大小也基本保持不變。逆變電路采用典型的三相電壓源型逆變電路，逆變電路的主開關(guān)器件采用智能功率模塊(ipm)。
4。2轉(zhuǎn)子位置檢測電路
由于反電動勢是難以直接測取的物理量，檢測反電動勢過零信號實際上是通過檢測三相繞組端電壓間接獲得反電動勢過零信號，圖4為a相繞組端電壓檢測電路。
端電壓u經(jīng)分壓濾波，過零檢測，光電隔離后送入dsp的l／0。由于逆變器采用pwm方式，端電壓波形也為pwm波，需經(jīng)濾波之后可得到平滑的端電壓。為保證dsp的安全，輸入i／o口的電壓應在3 3 v以下，檢測信號需通過光電隔離再送入d1sp。
4。3保護電路
系統(tǒng)的保護電路包括過壓、過流及ipm故障保護。本系統(tǒng)選用的ipm是三菱公司的pm50rsal20(50 a／l 200 v)，該ipm不僅把功率開關(guān)器件和驅(qū)動電路集成在一起，而且還內(nèi)藏過電壓，過電流和過熱等故障檢測電路及保護電路，一旦ipm出現(xiàn)故障，能自動封鎖輸出，但一段時間后ipm會自動恢復。所以需要在ipm發(fā)生故障時將故障檢測信號送到dsp，d卵采取相應措施，****封鎖ipm驅(qū)動信號。
采用這種雙重保護的設計，系統(tǒng)可靠性進一步提高。
電流的變化非�？�，本文沒計了過流檢測電路，采用硬件中斷的方式實現(xiàn)過流保護。母線電壓的變化相對較慢，硬件上只需母線電壓采樣電路，過壓保護在軟件設計中完成。
5系統(tǒng)軟件設計
整個軟件程序在cc軟件中采用dsp匯編語言編寫。整個軟件包括三部分：主程序、定時器t1下溢中斷模塊、ipm保護中斷和過流保護中斷模塊。
主程序完成系統(tǒng)的初始化，如中斷向量表、寄存器、i／0口、事件管理器、adc模塊的初始化等一初始化結(jié)束后進人無限循環(huán)等待中斷，主要是等待tl下溢中斷處理程序，這個中斷程序是本系統(tǒng)控制算法的核心部分。
t1斷服務程序包括電動機的起動、換向時刻的判斷(包括轉(zhuǎn)子位置信號的檢測、延時角的計算、相移的修正、濾波的實現(xiàn))、電流采樣和汁算、電流調(diào)節(jié)器(電流反饋的選擇和pt算法)、速度調(diào)節(jié)器(速度計算及積分分離pi算法)，pwm占空比的改變，母線電壓過壓保護等，這一過程在一個采樣周期l00
us內(nèi)完成.t1中斷服務程序軟件流程圖如圖5所示。
本文簡化了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，根據(jù)上面敘述的電機起動方法，通過軟件程序?qū)崿F(xiàn)電機的軟起動。
為了濾除換向瞬間反電動勢出現(xiàn)的干擾，本文在軟件中采用延時濾波的方法來消除干擾。
本系統(tǒng)速度反饋無需借助任何測速電路或者速度傳感器，完全由軟件程序計算得到。本系統(tǒng)電機極對數(shù)為5，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)360°電角度捕獲單元有6個信號跳變，每轉(zhuǎn)一周捕獲單元就有30個信號跳變。
當測得反電動勢波形過零點后，再延遲30。電角度才是換相點，又由于端電壓檢測電
路中存在阻容濾波環(huán)節(jié)，導致了檢測信號相位的滯后，即換相延時角不再是30。電角度，而是經(jīng)過了相位補償后的結(jié)果。
ipm保護中斷和過流保護巾斷使用同一個中斷源。當ipm出現(xiàn)故障時，ipm會自動關(guān)斷igbt并輸出故障信號給dsp芯片，使系統(tǒng)進入中斷；一旦系統(tǒng)過流也會使系統(tǒng)進人中斷。系統(tǒng)進入中斷會封鎖ipm的驅(qū)動信號，并置ipm故障標志或過流故障標志，便于******找到問題所在。
6實驗結(jié)果及結(jié)論
本系統(tǒng)所用無刷直流電機定子繞組采用三相y聯(lián)結(jié)，工作在兩兩通電六狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子為5對極，功率為400w，電壓300v，額定電流2 a。本文根據(jù)以上的硬件電路以及軟件設計，進行了大量的實驗，實驗證明系統(tǒng)簡單、可靠。圖6為電機起動時相電流ia/ib的波形，圖7的電動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后用端電壓法檢測的轉(zhuǎn)子位置信號pa／pb的波形。圖6中縱坐標為電流值的定點數(shù)(qlo格式)，起動時電流****值ia=1936(q10)，電流的實際值ia=1936×10=1.89
通過利用tms320lf2407豐富的片內(nèi)資源和高效的運算處理能力，且速度環(huán)電流環(huán)的pi控制，電機的起動，電動機速度反饋等都由軟件完成，使系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性。實驗證明，該系統(tǒng)具有良好的調(diào)速性能，電機轉(zhuǎn)子位置檢測準確性好，具有實用價值。
